Evolution Technologie Réseaux

Chap1 :

http://dc404.4shared.com/doc/CxEVv37W/preview.html[18/11/2013 11:24:27]

Introduction 1

CHAPITRE1 Evolution des technologies des réseaux : Normes et déploiement 1

Introduction 1

Infrastructure des réseaux mobiles 2

Les systèmes de Première génération (1G) 2

Les Systèmes de deuxième génération 3

GSM-2G 5

Les systèmes de 2,5G : GPRS 5

EDGE : 2.75G 6

2G: Evolution vers la commutation de paquet 6

Troisième génération (3G) 7

UMTS 8

Evolution 3G IMS 9

Amélioration des systèmes 3G 9

Evolution vers la 4G 10

Conclusion 11

CHAPITRE 2 LTE : Long Term Evolution 13

CHAPITRE 2 LTE : Long Term Evolution 13

Introduction 13

7720.Définition de LTE 13

C’est quoi LTE 13

Les exigences de LTE 13

Les services de LTE 14

L’architecture EPS 14

Evolved UTRAN Architecture 17

Architecture de l’UTRAN 17

Many-to-Many S1 Interface 18

Interface S1-U (User Plane) 18

Interface S1-Control Plane (S1-CP) 19

Chap1 :


X2 Interface 19

LTE States and Packet Connection 20

Simplification des États RRC dans LTE 20

Procédure de base pour établir une connexion de l'LTE 21

LTE Air Interface Radio Aspects 22

Modes d’accès radio 22

largeur de bande de transmission 22

Les bandes de fréquences supportées 23

Technologie d'accès multiple dans la liaison descendante: OFDM et OFDMA 24

technologie d'accès multiple dans la liaison montante: SC-FDMA 26

Présentation des techniques d'antennes multiples 27

Différent mode de transmission d’antenne : LTE downLink : 28

Différent mode de transmission d’antenne : LTE UpLink 28

Aspects protocole LTE 29

LTE protocoles plan utilisateur 29

Caractéristiques de la couche physique 30

Structure de trame 30

Symbole OFDM et le préfix cyclique 31

Modulation 32

HARQ et AMC 33

Conclusion 33

Chapitre 3 : Etude théorique et conception du dimensionnement et Planification des réseaux LTE 34

Chapitre 3 : Etude théorique et conception du dimensionnement et Planification des réseaux LTE 34

Introduction 34

.Les facteurs influant sur la planification LTE 34

Le Dimensionnement par couverture 35

Le bilan de liaison : Définition et principes 35

Définition 36

Principe du bilan de liaison 36

Chap1 :


Paramètres clé du bilan de liaison 37

Les caractéristiques du mobile 37

caractéristiques du eNode-B 38

Perte due aux câbles et aux connecteurs (dB) 39

Probabilité de couverture de la zone cellulaire 39

Charge de la cellule (cell load) 39

Augmentation du Bruit (noise rise) 39

Les différentes marges 39

Nombre de blocs de ressources nécessaires 41

Gain Handoff 41

Le MAPL final et le rayon de la cellule 41

Modèle de propagation 42

l’Aire du site 43

Calcul du bilan de liaison 44

Modélisation et conception 47

Processus d’automatisation de la phase de dimensionnement 47

Cette figure est le diagramme de navigation dans notre application 47

Diagramme de cas d’utilisation 48

Diagramme de séquence 49

Conclusion 50

Chapitre 4 : Résultats et Interprétations 52

Chapitre 4 : Résultats et Interprétations 52

Introduction 52

.Implémentation de l’outil 52

vues principales 52

Interfaces du dimensionnement par couverture 53

Résultats et interprétations 58

Résultats du bilan de liaison 58

Rayon de la cellule par environnement 60

Chap1 :


Nombre de cellule par environnement 61

Nombre de site (eNode-B) par environnement 61

Planification 61

Conclusion 63

Conclusion 64

Conclusion 64

BIBLIOGRAPHY 66

[9] P. Sabatier. Lte outdoor rf design guidelines. 66

Table des matières

Figure 1: Infrastructure généralisée des réseaux mobiles 2

Figure 2: FDMA [3] 3

Figure 3: Code Division Multiple Access 4

Figure 4: Time Division Multiple Access [3]. 4

Figure 5: Architecture des réseaux GSM 5

Figure 6: Modèle du réseau à double cœur 6

Figure 7: Architecture générale de la 3G 7

Figure 8: Architecture de l’UMTS 8

Figure 9: évolution de l’architecture des réseaux (du circuit au packet) [8] 9

Figure 10: La latence dans LTE 14

Figure 11: Architecture EPS 15

Figure 12: Architecture UTRAN 17

Figure 13: S1 Interface [13] 18

Figure 14: Plan utilisateur S1 19

Figure 15: Plan de contrôle S1 19

Figure 16: Interface X2 20

Figure 17: Les états RRC dans LTE 20

Chap1 :


Figure 18: Resélection de cellules - Idle Mode 21

Figure 19: Procédure de signalement RRC 21

Figure 20: Connexion des paquets dans LTE 22

Figure 21: Techniques de multiplexage dans LTE [12] 22

Figure 22: Transmission BandWith [11] 23

Figure 23: Bandes de fréquences supportées 23

Figure 24:Le signal OFDM en fréquences et temps (25.892 Figure 1) 24

Figure 25: Allocation des sous bandes OFDM et OFDMA [11] 26

Figure 26: Comparaison d'OFDMA et SC-FDMA transmettant une série de données QPSK [11] 27

Figure 27: 2x2 MIMO [11] 28

Figure 28: MU-MIMO dans uplink [11] 29

Figure 29: Plan des protocles de contrôle [13] 30

Figure 30: structure de la trame LTE type 1 (36.211 Figure 4.1-1) 30

Figure 31: structure de la trame LTE type2 31

Figure 32: structure de symboles OFDM 31

Figure 33: schémas des modulations LTE 32

Figure 34: Type-II HARQ 33

Figure 35: comparaison entre FFR et SFR [6] 35

Figure 36: Rayon maximum de la cellule [7] 37

Figure 37: Marge de pénétration pour différents environnements [8] 41

Figure 38: Nbr de RB pour des différents taux de données [8] 41

Figure 39: Calcul du MAPL [7] 42

Figure 40: Valeurs K1 et K2 du modèle de propagation HATA à 2100Mhz 43

Figure 41: TMA [9] 46

Figure 42: Processus d’automatisation de la phase de dimensionnement 48

Figure 43: Diagramme de cas d’utilisation pour le dimensionnement par couverture 49

Figure 44: Diagramme de séquence pour le dimensionnement par couverture 50

Figure 45: Vue principale 53

Figure 46: Fréquence, environnement et services 54

Chap1 :


Figure 47: première interface de dimensionnement 55

Figure 48: deuxième interface de dimensionnement et calcule de la sensibilité 56

Figure 49: Calcul du MAPL 57

Figure 50: Résultat de dimensionnement 58

Figure 51: Tableau du calcul du MAPL pour le service PS1Mbps 59

Figure 52: Tableau du calcul du MAPL pour différents service et différents environnements 60

Figure 53: Tableau du calcul du MAPLaverege(dB) 60

Figure 54: Paramètres de COST-HATA 231 60

Figure 55: Valeur des rayons 61

Figure 56: Le nombre de cellule pour chaque environnement 61

Figure 57: Distribution des cellules sur la zone de couverture choisie 62

Figure 58: Répartition des fréquences 63

3GPP 3rd Generation Partnership Project

ICI Inter Cell Interference

IFFT Inverse FFT

IMS IP-Multimedia Subsystem

IMT InternationalMobile Telecommunications

IoT Interference over Thermal Noise

IP Internet Protocol

ITU International Telecommunications Union

LKB LinK Budget

LTE Long TermEvolution

MAC MediumAccess Control

MAPL MaximumAllowable Path Loss

MBMS Multimedia Broadcast and Multicast Service

MBSFN Multicast/Broadcast over Single-Frequency Network

MCS Modulation and Coding Scheme

Chap1 :


MHA Mast Head Amplifier

MIMO Multiple InputMultiple Output

MME MobilityManagement Entity

MS Mobile Station

MSC Mobile Switching Center

NAS Non Access Stratum

NF Noise Figure

NMT NordicMobile Telephone

OFDM Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency DivisionMultiple Access

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDN Packet Data Network

PDSN Packet Data Service Node

PFR Partial Frequency Reuse

P-GW PDN GateWay

PSTN Public Switched Telephone Network

QAM Quadrature AmplitudeModulation

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RNC Radio Network Controller

RNP Radio Network Planning

RRC Radio Resource Control

RRH Remote Radio Head

SAE SystemArchitecture Evolution

SC-FDMA Single Carrier Frequency DivisionMultiple Access

SFR Soft Frequency Reuse

SGSN Serving GPRS Support Node

S-GW Serving GateWay

UE User Equipment

Chap1 :


UMTS UniversalMobile Telecommunications System

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

VLR Visitor Location Register

Introduction

Les besoins des utilisateurs dans la téléphonie mobile a vue de nombreux rebondissement au débutdans les années 70 l’objectif était d’avoir un moyen de télécommunication sans fil fiable capable detransmettre la voix d’un point donnée à un autre, en effet après des recherches approfondie qui ontaboutie à la première génération de la téléphonie mobile qui est la téléphonie analogique utiliséeuniquement pour passer les appels traditionnels.

Apres ce premier pas les besoins ont changé et on a pensé à améliorer la qualité de services donc ona digitalisé cette première technique pour avoir une nouvelle technologie qui est le GSM en 1989. Cettetechnologie a connu un succès énorme et tous les pays développer l’on adopter, mais après l’essor et ledéveloppement d’internet on a cherché de l’incorporer dans les téléphones mobiles, ce jour la on a vue lalimite du GSM. Des lors on a donc cherché à créer une technologie qui permet une connexion à internetavec une qualité de service élevée et qui répond au besoin des utilisateurs à savoir avoir du haut débit.

C’est dans ce contexte que se pose notre projet de fin d’année a savoir la migration 3G/LTE avec uneétude du dimensionnement et la planification, on va donc commencer par donner l’historique desgénération et des technologie utilisé, puis on va passer vers une étude du LTE (Long Term Evolution), Onpassera vers l’étude du dimensionnement et la planification dans LTE et on finira par la partiedéveloppement d’une application de planification et dimensionnement d’une région donnée adapté pour leservice LTE.

CHAPITRE1 Evolution des technologies des réseaux : Normes et

Chap1 :


déploiement

Introduction

Durant ces dernières années, nous remarquons une grande évolution des systèmes cellulaire sans filet de nombreuses générations sont apparues pour satisfaire les demandes des abonnés et offrir desnouveaux services.

La première génération de la téléphonie mobile est la téléphonie purement analogique utiliséeuniquement pour passer les appels traditionnels.

Quand le nombre d'abonnement augmente, nous avons pensé à faire évoluer la capacité du réseau,améliorer la qualité d'appel ainsi qu'offrir plus de service. Nous avons pensé à digitaliser la téléphonie etcela a introduit la deuxième génération de téléphonie.

En fait, c’était ce jour la que la norme « G » a vue le jour.

Les principaux avantages de la deuxième génération par rapport à la première génération (1G) sont :

Les appels digitalisés ont relevé l’efficacité de l'interconnexion des équipements.

L'échange entre le mobile et le BTS (Base Transceiver Station) était digitalisé,

L’amélioration de deux aspects:

La compression de donnée voix et la composition des canaux étaient plus efficaces qu'enanalogue grâce à plusieurs mécanismes de codages. Cela nous a permit de coder plusieursappels dans une même fréquence.

Un système digital a minimisé le besoin de l'énergie radio émise par la mobile. Ce fait nousa permit de fabriquer les mobiles plus petites et permet aux opérateurs de diminuerl'investissement matériel comme le BTS.

Pour la première fois, on a pu introduire les services donnée sur le téléphone mobile, commençant avecSMS (Short Message Service).

Malgré l'évolution de digitalisation, 2G est encore un système à bande étroite, basée sur la technologieCS (Circuit Switching). Avec le temps, la capacité de 2G ne répond plus aux besoins des services avancés.

Pourtant, avant d'arriver à la maturité de la génération de la téléphonie suivante, 3G, le monde apassé une période de transition, connu sous la norme 2.5G (GPRS) et 2.75G(EDGE). C’est le début de latéléphonie en mode paquet.

Chap1 :


Infrastructure des réseaux mobiles

Comme l'illustre la figure ci dessous, l'infrastructure de tout réseau mobile peut être généralisée en 2 grandesparties: le réseau d'accès radio (RAN) et le Réseau de base (CN).

Figure 1: Infrastructure généralisée des réseaux mobiles

Le RAN se compose d'un émetteur-récepteur, station de base et des contrôleurs de station de base(également connu sous le nom Radio des contrôleurs de réseau, ou RNC, selon la terminologie de certainsréseaux tels qu’UMTS).

Le réseau cœur peut être divisé en un Sous-système de Multimédia IP (IMS : IP MultiMediaSubsystem), domaine de commutation de circuit (CS), et d'un domaine de commutation de paquets (PS),avec :

IMS est une collection d'éléments de réseau qui fournissent de la multimédia IP à partir des services liéscomme le texte, l’audio et la vidéo. Les données relatives à ces services sont transmises à travers ledomaine PS.

CS-type est une connexion de télécommunication de style traditionnel connecté avec des ressourcesdédiées allouées pour la durée de la connexion.

Dans une connexion de type PS, l'information est généralement transporté en paquets et chaque paquet est

Chap1 :


acheminé de façon distincte et autonome.

Les systèmes de Première génération (1G)

La première génération des systèmes cellulaires sans fil (1G) reposait sur un système decommunications mobiles analogiques. Les appareils utilisés étaient particulièrement volumineux. La première génération de systèmes cellulaires (1G) utilisait essentiellement les standards suivants :

AMPS (Advanced Mobile Phone System)

Il est lancé aux Etats-Unis, et basé sur la transmission radio FM en utilisant le principe FDMA oùchaque utilisateur est assigné à sa propre fréquence (voir Figure 1.2).

Le débit des communications AMPS dans de bonnes conditions est généralement jusqu'à 14,4 Kbps, etpeut atteindre 4,8 kbitps dans de mauvaises conditions.

Figure 2: FDMA [3]

NMT et TACS (Nordic Mobile Telephone et Total Access Communications System )

Les deux systèmes sont basés sur la technologie analogique AMRF accès radio. Comme les conditionsde l'environnement des entreprises ont changé, NMT a été modifié pour fonctionner dans la gamme de 800MHz, en tenant compte de la taille et la puissance des combinés. Contrairement à NMT, TACS a été conçupour des capacités plutôt que la couverture.

Les Systèmes de deuxième génération

Le développement de la technologie numérique conduit à l'élaboration des systèmes de deuxièmegénération (2G).

Les systèmes 2G sont mis en œuvre dans la technologie numérique à l'aide de la méthode d’accèsTDMA et CDMA qui font une utilisation plus efficace du spectre des fréquences, tels que la méthode d'accèsmultiple.

En 1G, FDMA fourni un accès multiples en séparant les utilisateurs par fréquence RF

La technologie CDMA reposent sur le découpage d’une porteuse en canaux à l’aide de codes différents,

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/generation-systeme-cellulaire.htm

Chap1 :


elle est basé sur la technique dans laquelle chaque abonné se voit attribuer un code unique, appelé pseudo-code aléatoire qui est utilisé par le système pour se distinguer de tous les autres utilisateurs transmettantsimultanément dans la même bande de fréquence.

Figure 3: Code Division Multiple Access

Au lieu de cela, CDMA effectue des transmissions multiples simultanément en remplissant le canal decommunication avec l'ensemble des paquets de données codées pour les différents appareils de réception. Lespaquets sont versés uniquement aux dispositifs pour lesquels ils sont codés.

Les systèmes TDMA (Time Division Multiple Access) reprennent la division en fréquence de FDMA,mais chaque fréquence est divisée dans le temps en intervalles, appelés slots. Un canal physique simplexest alors la répartition régulière d’un intervalle de temps sur une fréquence. Dans ce contexte, unefréquence est appelée porteuse.

En conséquence, TDMA offre de multiples canaux numériques en utilisant des créneaux horairesdifférents sur une porteuse de fréquence partagée.

Chaque station mobile est attribué à la fois à une fréquence spécifique et un temps au cours desquelsle mobile peut communiquer avec la station de base, comme le montre la figure suivante.

Figure 4: Time Division Multiple Access [3].

Chap1 :


TDMA utilise la même bande de fréquences et canaux des systèmes 1G, mais elle comporte unecapacité et des performances améliorées. Le trafic du canal TDMA supporte un débit total de 48,6 Kbps.

En utilisant des signaux de voix numérique, TDMA peut fournir trois fois la capacité d'1Gstandard. TDMA est La technologie bi-bande, ce qui signifie qu'il peut être déployé en 800 MHz et 1900MHz de bandes de fréquence.

GSM-2G

La technologie numérique cellulaire est la plus utilisée pour la transmission de services mobiles voix etdonnées. GSM se distingue des systèmes sans fil de première génération en ce qu'il utilise la technologienumérique et des méthodes d'accès multiple par répartition de transmission.La technologie numérique signifie que les deux canaux de signalisation et la parole sont numériques, c'estpourquoi le GSM est considéré comme une deuxième génération (2G) des systèmes de téléphonie mobile.

Le GSM est un système à commutation de circuit basé sur la technique TDMA.

GSM opère dans les bandes 900 MHz et 1,8 GHz et supporte des débits de données allant jusqu'à 9,6 kbit /s, permettant des services de données de base telles que les SMS.

L’architecture de réseau GSM est décrit dans la figure (1.5)

Figure 5: Architecture des réseaux GSM

Le réseau d'accès radio GSM se compose de deux éléments de réseau différents : les contrôleurs destation de base (BSC) et les stations de base Transceiver (BTS), qui ensemble sont appelés Base StationSubsystem (BSS). Le but du BSS est de gérer la liaison radio entre les téléphones mobiles et le réseau dunoyau.

Chap1 :


Les systèmes de 2,5G : GPRS

La Vidéo et la transmission des images graphiques ne sont pas disponibles sur la plupart des systèmesde téléphones mobiles d'aujourd'hui en raison de données à haute vitesse qui sont nécessaires pour cestypes de transmission.

Le standard GPRS (General Packet Radio Service) est une évolution de la norme GSM, ce qui lui vautparfois l'appellation GSM++ (ou GMS 2+).

Le GPRS permet d'étendre l'architecture du standard GSM, afin d'autoriser le transfert de données parpaquets, avec des débits théoriques maximums de l'ordre de 171,2 kbit/s (en pratique jusqu'à 114 kbit/s).

Grâce au mode de transfert par paquets, les transmissions de données n'utilisent le réseau quelorsque c'est nécessaire. Le standard GPRS permet donc de facturer l'utilisateur au volume échangé plutôtqu'à la durée de connexion, ce qui signifie notamment qu'il peut rester connecté sans surcoût.

Le GPRS permet de nouveaux usages que ne permettait pas la norme GSM.

EDGE : 2.75G

EDGE est une évolution des normes de téléphonie mobile GPRS pour GSM qui permet un accès àl'Internet à partir d'un téléphone mobile ou d'un microordinateur. EDGE permet des transferts de donnéesavec un débit maximal de 384 kbit/s.

Cela signifie qu'il peut gérer quatre fois plus de trafic que le GPRS standard.

2G: Evolution vers la commutation de paquet

Avec l'émergence de la propriété intellectuelle et les services Web, les réseaux de deuxièmegénération GSM ont finalement évolué pour soutenir efficacement la transmission de données par paquets :

La partie accès au réseau a été en partie redésignée pour soutenir la transmission de paquets et le partagedes régimes d'allocation des ressources, comme pour les évolutions GPRS et EDGE.

Un nouveau domaine Core Network (CN) (PS pour commutation de paquets) a été ajouté, en parallèle avecle domaine de commutation de circuit (CS) .

Ce nouveau domaine a le même rôle que le domaine CS, il supporte les transmissions de paquets(y compris l'authentification) ainsi que l'interfonctionnement avec Internet public ou privé (ou IP).À titre d'illustration, la figure (1,8) décrit une vue simplifiée du domaine du réseau à deux cœur.

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/GPRS-gsm.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/GSM.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/internet.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/microordinateur.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/debit.htm

Chap1 :


Figure 6: Modèle du réseau à double cœur

Le domaine CS est composé d'un MSC / VLR (Mobile Switching Center / Visitor Location Register)responsable pour la mise en service de bout en bout et se charge de la maintenance des informations delocalisation de l'utilisateur (cette information est généralement utilisé à la page du terminal de l’utilisateur,afin de mettre en place la fin des sessions de communication). Le GMSC (Gateway MSC) est un typespécifique de MSC, comme étant la passerelle responsable de l'interfonctionnement du PSTN.

Le domaine PS est composé du SGSN (Serving GPRS Support Node), qui joue essentiellement le rôled'un MSC / VLR pour le domaine de paquets, et le GGSN (Gateway GPRS Support Node), ce qui équivaut àla GMSC pour l‘interfonctionnement avec les réseaux de paquets externes.

En plus des domaines spécifiques (PS et CS), le réseau de base contient aussi les HLR (Home LocationRegister), consulté par les domaines CS et PS. Le HLR est un élément clé de l'architecture du réseau,contenant toutes les informations relatives à la souscription d'utilisateur [8].

Troisième génération (3G)La 3éme génération de téléphonie est généralement connue sous la norme WCDMA (Wideband Code

Division Multiple Access) et CDMA2000.

Le réseau téléphonique effectue un grand changement au niveau de l’architecture. C'est une évolutionmatérielle.

Puisque GSM, GPRS et EDGE sont tous basés sur TDMA et FDMA, ainsi partagent des mêmes bandesde fréquences. L'évolution GSM-GPRS-EDGE est donc une évolution logicielle tant dis que 3G est basée surla technologie CDMA, totalement différente.

Alors, l'évolution vers 3G commence avec l’allocation d'une nouvelle bande de fréquence, on ne peutpas faire partager 3G et 2G au niveau de fréquence. Cela a comme résultat un changement matériel. Il fauttout changer au niveau de l'accès radio (RAN Radio Accès Network), plus précisément, BTS et BSC.

Chap1 :


Figure 7: Architecture générale de la 3G

La 3G a marqué le début de l'époque de téléphonie en mode paquet haut débit. Ce système permet des services decommunications plus rapides notamment pour la voix, la télécopie, l’Internet de n'importe quel endroit et à toutmoment. L’UIT IMT-2000 est la norme internationale de la 3G a ouvert la voie à des nouvelles applications et servicescomme par exemple le divertissement multimédia, la localisation des services, …

La troisième génération des systèmes cellulaires (3G) utilise notamment les standards suivants :

UMTS

Tout d'abord l'UMTS doit supporter des services multimédias à haut débit avec un débit minimum de144 kbps dans tout type d'environnement et jusqu'à 2 Mbps dans des environnements intérieurs, en plus, ildoit assurer une compatibilité avec les systèmes 2G en termes de services offerts aux usagers.

D'autres objectifs intéressants consistent à transmettre des données symétriques et asymétriques,fournir des services à commutation de circuits et à commutation de paquets, assurer une qualité de parolecomparable à celle des réseaux câblés, et offrir une couverture universelle associant des satellites auxréseaux terrestres.

Le réseau UMTS est composé de trois parties:

La première partie correspond au terminal utilisateur UE,

Chap1 :


La deuxième partie correspond au réseau d'accès radio RAN ou UTRAN, qui supporte toutes les fonctionnalitésradio.

La troisième partie, elle correspond au réseau cœur CN.

La figure ci-dessous présente l'architecture d'un réseau UMTS :

Figure 8: Architecture de l’UMTS

L’Equipement Utilisateur : il correspond au terminal radio utilisé pour les communications radio surl'interface Uu, L'équipement mobile se subdivise en deux parties :

L'équipement terminal (TE) : C’est la partie où les données d'information sont générées en émission outraitées en réception.

USIM (Universel Subscriber Identity Module) qui est une application qui gère l'identité de l'abonné, lesalgorithmes et les clefs d'authentification, les clefs de chiffrement ainsi que certaines données relatives àl'abonnement de l'utilisateur qui sont nécessaires au niveau du terminal. L'USIM réside dans une carte àpuce appelé UICC (UMTS Integrated Circuit Card).

Le réseau d'accès terrestre UTRAN : il assure le transport des flux entre le terminal mobile et le réseaucœur. L'UTRAN est constitué d'un ou plusieurs RNS (Radio Nework System) ayant pour rôle de gérerl'allocation et la libération des ressources radio pour autoriser la connexion entre l'UE et l'UTRAN. ChaqueRNS est formé d'un RNC (Radio Network Controller) et d'un ou plusieurs Nœuds B qui est l’équivalent duBTS dans les réseaux GSM.

Le réseau cœur : il est responsable de la commutation et du routage des communications (voix/données)dans le même réseau ou vers les réseaux externes. Il est composé de trois parties :

Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie.

Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets.

Les éléments communs aux domaines CS et PS.

Chap1 :


Evolution 3G IMS

Le principe de IMS consiste d’une part à séparer nettement la couche transport de la couche des services etd’autre part à utiliser la couche transport avec des fonctions de contrôle et de signalisation afin d’assurer laqualité de service souhaitée pour l’application désiré.

L’IMS a pour ambition de constituer une plateforme unique pour toute une gamme de services etd’être en mesure d’offrir de nouvelles applications dans un temps minimum

Figure 9: évolution de l’architecture des réseaux (du circuit au packet) [8]

Amélioration des systèmes 3G

Alors, pas comme l'évolution 2G-3G, l'étape 3G-3G+ s'agit seulement à une évolution logicielle baséesur la même méthode d’accès CDMA, sur la même bande de fréquence, le déploiement de 3G+ nedemande pas de changement matériel. Toutes les infrastructures actuelles sont conservées, l’opérateur n'aqu'à mettre à jour les codages, la modulation au niveau réseau d'accès.

Utilisant HSPA, 3G+ offre des performances dix fois supérieures à la 3G (UMTS R'99).Cette évolutionpermet d'approcher les performances des réseaux DSL (Digital Subscriber Line). La norme 3G+ comprend 2standards nommés HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) et HSUPA (High Speed Uplink PacketAccess). HSPA, c'est la norme implicite de HSDPA et HSUPA. Ces deux protocoles sont standardisés par3GPP comme release 5 et 6.

Les éléments de HSPDA sont :

AMC, Adaptative Modulation and Coding,

Chap1 :


MIMO, Multiple Input, Multiple Output,

HARQ, Hybrid Automatic Request.

En bref, HSUPA est une amélioration au niveau Uplink de 3G+, partagent la plupart descaractéristiques de HSDPA. Un amélioré Uplink permet une bonne qualité pour les applications telle queVoIP, Uploading d'image, de vidéo. HSUPA augmente dramatiquement le débit du lien Uplink et en mêmetemps diminue le délai et la gigue.

Bande de fréquence

Pas de changement au niveau de bande de fréquence : 2 bandes appairées (1920-1980MHz et 2110-2170MHz) et 2 bandes non appairées (1900-1920MHz et 2010-2025MHz)

3 modulations sont possibles : QPSK, 16QAM et 64QAM.

Une amélioration par rapport au 3G, c'est que 3G+ présente un mécanisme pour changerautomatiquement de mode de modulation pour optimiser l'utilisation de lien.

Méthode d’accès et protocole

La première étape de la mise en place de 3G+, c'est à implémenter HSDPA sur le downlink.

Par ailleurs, les réseaux post-3G seront dotés d’un support des technologies IP, ce qui permettra derendre les réseaux téléphoniques compatible de manière beaucoup plus souple qu’actuellement avecl’Internet.

Evolution vers la 4G 4G est la suite de l'évolution téléphonie mobile. Étant basé sur une infrastructure de réseau tout-IP et

l'utilisation de technologies sans fil avancées telles que MIMO, ces spécifications déjà afficher leurscaractéristiques pour l'IMT-Advanced (4G), le successeur de la 3G [10].

Spécification prévue

Un débit minimum de 100Mpbs entre n'import deux points dans le monde.

1Gbps pour les clients et stations relativement fixés.

Haute qualité de service pour assurer les générations de multimédia avancée (HDTV, Mobile TV, etc).

Comptabilité avec la téléphonie et les réseaux sans fil existants.

Un réseau total IP et commutation de paquet (PS).

Protocole prévue – HSOPA

HSOPA (High Speed OFDM Packet Access) est une application de OFDM (Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing) est une évolution de HSDPA / HSUPA.

Chap1 :


100 Mbit/s en downlink / 50 Mbit/s en uplink

Temps de latence de l'ordre de 20 ms contre 60 ms pour HSDPA.

Le nombre d'utilisateurs par fréquence est bien supérieure et dépasser les 100 (40 en HSDPA et 9 en UMTS).

Le tableau ci dessous d'après [10] résume toutes les spécifications de 1G, 2G, 3G, etau-delà de technologies :

Paramétres CDMA GSM/EDGE W-CDMA LTE

Bande defréquencesiupporté

450/800/

850/1900/

2100

850/900/

1800/1900

850/1900/

2100

700/850/

900/1800

/1900/2100/

2600

Mode Duplex

FDD (TDD

option)

FDD FDD (TDD

option)

FDD/TDD

Bande passantedu canalminimale (MHz)

1.25 0.2 5 1.4

Bande passantedu canalmaximale (MHz)

1.25 0.2 5 20

Modulation QPSK/ 16QAM GMSK/ 8PSK QPSK/ 16QAM

/64QAM

QPSK/ 16QAM

/64QAM

Handover Soft Hard Soft Hard

Conclusion

Chap1 :


Dans ce chapitre nous avons eu un aperçue sur les différentes générations de réseaux cellulaire asavoir la première génération puis la deuxième génération la troisième génération et finissant avec uneévolution vers la 4G dans le chapitre suivant nous allons avoir une description de la 4G en mettant envaleur ses différentes critères: la bande passante le débit, les techniques d’accès,…

CHAPITRE 2 LTE : Long Term Evolution

Introduction

Les concepts du Long Terme Evolution (LTE) ont été étudiés afin d'assurer la compétitivité de l'UMTSpour les 10 prochaines années et au-delà.

3GPP groupe de travail a spécifié une liste d'exigences pour LTE y compris le taux de données plusélevés, une meilleure efficacité du spectre, et une latence plus faible. Sur la base de ces exigences, desconcepts techniques pour les régimes de l'air à la transmission d'interface et les protocoles seront étudiésdans ce chapitre.

Ce chapitre donne un aperçu des spécifications LTE commence avec son architecture simplifiéeexplique ensuite l'utilisation de nouvelles technologies comme OFDMA et SC-FDMA en liaison descendanteet montante, respectivement, et décrit enfin la couche physique (PHY) caractéristiques.

7720. Définition de LTE

C’est quoi LTE

La prochaine génération de la technologie cellulaire transformeront radicalement le paysage descommunications, modifier les informations de la façon dont l'accès des personnes et d'interagir avec unautre. À l'avant-garde de la nouvelle technology est LTE, le Long-Term Evolution de l'UMTS, développé parle Troisième Generation Partnership Project (3GPP) de sortie 8. Si la génération actuelle des réseaux detélécommunications mobiles sont collectivement appelés que la 3G (pour "troisième génération"), LTE 4Gest généralement désignée comme "quatrième génération".L’exigence 3GPP de haut niveau pour LTEcomprennent un coût réduit par bit, une meilleure fourniture de services, une utilisation flexible des bandesde fréquences nouvelles et existantes, de simplifier l'architecture de réseau avec des interfaces ouvertes, etune provision pour la consommation d'énergie raisonnable par les terminaux. Ils sont détaillés dans l'étudede faisabilité LTE, 3GPP Rapport technique 25,912, et dans le document LTE besoins, 25,913 [11].

Les exigences de LTE

Pour répondre aux exigences en matière de LTE décrites dans 25,913, LTE vise à atteindre les critèressuivants :

Augmentation de la liaison descendante et montante de données: 100 Mbit / s (liaison descendante) et 50Mb / s (liaison montante). Notez que la liaison descendante est spécifié pour la sortie seule entrée unique(SISO) et sortie multiple input multiple Output (MIMO) antenne configurations à un fixe Profondeur de lamodulation 64QAM, alors que la liaison montante est précisé que pour SISO, mais à différents profondeursde modulation.

des largeurs de bande de canal évolutive de 1,4, 3, 5, 10, 15 et 20 MHz dans les deux la liaison montanteet la liaison descendante.

Chap1 :


l'amélioration de l'efficacité spectrale sur la version 6 d'accès haute vitesse par paquets (HSPA) de trois àquatre fois dans le sens descendant et de deux à trois fois dans le sens montant.

temps de latence <5 ms pour plan d'utilisateur et 100ms <pour plan de contrôle.

Figure 10: La latence dans LTE

Coexistence avec les normes GSM / UMTS, tout en évoluant vers un tout-IP et les réseauxsimplifiés.

Les services de LTE

Grace a une combinaison entre un débit élevé (descendant et montant), une utilisation efficace delatence des paquets, LTE promet d'améliorer la prestation des services à large bande

Le tableau suivant illustre quelques-uns des services et des applications LTE

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L’architecture EPS

L’EPS (Evolved packet System) représente l’ensemble du réseau à savoir LTE et SAE. Il a lescaractéristiques suivantes :

Il possède une architecture plate et simplifiée comparée à celle hiérarchique 2G/3G puisque la fonction decontrôleur d’antenne disparaît. La seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé à unnodeB+RNC.

Il s’agit d’une architecture uniquement paquet comparée à l’architecture 2G/3G circuit et paquet.

Il permet une connectivité permanente tout-IP comparée à des contextes permanents en 2G/3G dans ledomaine paquet, Son interface radio est totalement partagée entre tous les usagers en mode ACTIFcomparée à des ressources dédiées et partagées dans l’architecture 2G/3G. Les appels voix et visiophonierequièrent des ressources dédiées en 3G.

Il permet des handover vers les réseaux 2G/3G et CDMA/CDMA2000 afin d’assurer des communicationssans couture en environnement hétérogène.

Les grandes fonctions assurées par l’EPS sont les:

Fonctions de contrôle d’accès réseau : Elles permettent d’authentifier l’usager lorsque ce derniers’attache au réseau, met à jour sa tracking area, et demande des ressources pour ses communications.Elles permettent aussi de réaliser la taxation de l’usager en fonction de l’usage des ressources et enfonction des flux de service émis et reçus. Elles permettent enfin de sécuriser les flux de signalisation et lesflux média des usagers en les encryptant entre l’UE et l’eNodeB.

Fonctions de gestion de la mobilité : Elles permettent à l’UE de s’attacher, de se détacher et de mettreà jour sa tracking area.

Fonctions de gestion de session : Elles permettent d’établir des defaults bearers et des

dedicated bearers afin que l’UE dispose de connectivités IP pour ses communications.

Fonctions de routage de paquet et de transfert : Elles permettent d’acheminer les paquets de l’UE auPDN GW ainsi que du PDN GW à l’UE.

Fonctions de gestion de ressource radio : Elles permettent l’établissement et la libération de RAB(Radio Access Bearer) entre l’UE et le Serving GW à chaque fois que l’UE souhaite devenir actif pourcommuniquer.

Les entités suivantes constituent le réseau EPS présenté par la figure ci-dessous :

eNodeB

Mobility Management Entity (MME)

Serving Gateway

Packet Data Network Gateway (PDN GW)

Home Subscriber Server (HSS)

Policy and Charging Rules Function (PCRF)

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Figure 11: Architecture EPS

i. Mobility Management Entity (MME), qui dispose d'un plan de contrôle des fonctions telles que:

Gestion et conservation des contextes UE

Générer des identifiants temporaires à l'UES

Contrôle statemobility Idle

Distributing messages à eNBs

S-GW/PDN-GW sélection

Gestion au porteur

ii. Entité eNodeB : L’eNodeB est responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE. A la différencede l’UTRAN 3G où sont présentes les entités Node B et RNC, l’architecture EUTRAN ne présente que deseNodeB. Les fonctions supportées par le RNC ont été réparties entre l’eNodeB et les entités du réseau cœurMME/Serving GW.

Passerelle Fonctions

Serving Gateway (S-GW) • Point d’ancrage pour le handoverinter-eNodeB. Lors d’un handoverinter-eNode, le

trafic de l’usager qui s’échangeait entrel’ancien eNodeB et le Serving GW doit

désormais être relayé du nouvel eNodeBau Serving GW.

• Point d’ancrage pour le handoverLTE et les réseaux 2G/3G. Il relaie

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les paquets

entre les systèmes 2G/3G et le PDN-GW.Lors d’une mobilité entre LTE et Lesréseaux

2G/3G paquet, le SGSN du réseau 2G/3Gs’interface avec le Serving GW pour la

continuité du service de données.

• Mise en mémoire des paquets entrantslorsque l’UE destinataire est dans l’état

ECM-IDLE et initialisation de la procédurede demande de service initiée par le réseau

Entité PDN GW • Interface vers les réseaux externes(Internet et intranet). Le PDN GW estl’entité qui termine le réseau mobile EPS etassure l’interface aux réseaux externes IPv4ou IPv6.

• Allocation de l’adresse IP de l’UE.Le PDN GW assigne à l’UE son adresseIP dès

l’attachement de l’UE lorsque le réseauétablit un defaut bearer permanent àl’UE. Le PDN GW peut allouer uneadresse IPv4 ou IPv6.

• Interception légale. Le PDN GW estsur le chemin de signalisation pourl’établissement/

la libération de bearer et sur le chemindu média (paquets de données échangéspar

l’UE). Il est donc un point stratégiquepour l’interception légale des flux médiaet contrôle.

Entité HSS (Home SubscriberServer)

Avec la technologie LTE, le HLR estréutilisé et renommé Home SubscriberServer (HSS).

Le HSS est un HLR évolué et contientl’information de souscription pour lesréseaux GSM, GPRS, 3G, LTE et IMS.

Entité PCRF (Policy & ChargingRules Function)

•Elle fournit au PDN-GW les règles detaxation lorsqu’un default bearer ou un

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dedicated bearer est activé ou modifiépour l’usager.

•Elle permet de demander au PDN GWd’établir, de modifier et de libérer desdedicated bearer sur la based de QoSsouhaitée par l’usager.

Evolved UTRAN Architecture

Architecture de l’UTRAN

L'architecture évolué UTRAN (voir la figure (12)) se compose de Node B ou eNBs évolué. Les eNodeBssont reliés entre eux par l'interface X2. La différence majeure entre l'E-UTRAN et UTRAN est l'absence de laRNC. Les fonctionnalités de RNC ont été déplacées aux eNodeB.

Il s'agit d'une architecture simplifiée avec un nombre réduit de nœuds et des interfaces. Cettearchitecture permet de réduire le coût pour l'opérateur et permet aussi de réduire la latence du système carles canaux de transport dédiés ne sont pas utilisés dans LTE.

L'interface X2 est unique au LTE. Dans les versions précédentes, Node B n'étaient pas reliés par uneinterface. Au lieu de cela, RNC a une interface définie à travers eux. L’Absence de RNC crée un besoin del'interface entre les eNodeBs. Cette interface serait utile dans les opérations de re-sélection de cellules etde transfert intra LTE handover.

Figure 12: Architecture UTRAN

Many-to-Many S1 Interface

Une interface S1 many-to-many prévu entre les eNodeBs et MME/SAE passerelle supporte le partageredondance/chargement des nœuds du réseau. Le partage de charge de MMES permet la mobilité d'une UE

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dans une zone géographique sans changer la MME comme le montre la figure (13). Redondance fournie surl'interface S1 améliore la fiabilité du réseau. La version 6 a soutenu deux types de partage de réseaux:

Dans le premier type, les réseaux d'accès radio peut être partagée par plusieurs opérateurs.

Dans le second type, à la fois le réseau d'accès radio et SGSN / MSC pourrait être partagée par plusieursopérateurs.

Une interface many-to-many S1 en LTE contribue à soutenir le partage de réseaux de radio par plusieursopérateurs [13].

Figure 13: S1 Interface [13]

Interface S1-U (User Plane)

L'interface S1 est l'interface entre l'E-UTRAN et les paquets évolués du réseau cœur. lesfonctionnalités de S1 sont divisées en C-plan et les U-plan fonctionnalités avion. S1-UP (voir la figure (14))s'applique à l'interface entre l’eNodeB et la passerelle de la SAE. S1-CP s'applique à l'interface entrel’eNodeB et le MME. L'interface S1 est conçu pour soutenir les relations A many-à-plusieurs entre le plandes utilisateurs et de plan de contrôle et eNBs.

L'interface S1-UP est chargée de fournir des données utilisateur entre les eNB et la passerelle de laSAE. Il se compose de GTP-U sur UDP / IP et fournit un non-garantie de livraison des données [13].

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Figure 14: Plan utilisateur S1

Interface S1-Control Plane (S1-CP)

Le S1-CP (voir la figure (15)) interface est chargé de fournir un protocole de signalisation entre leseNodeB et la MME. Il s'agit d'un SCTP sur IP et garantit une livraison des données.

L'application du protocole de signalisation est S1-AP (Application Protocol).

Le S1-CP est responsable d’installation/version de l’SAE, la procédure de signalisation du handover, laprocédure de radiomessagerie et la procédure de transport NAS [13].

Figure 15: Plan de contrôle S1

X2 Interface

L'interface X2 (voir la figure (16)) est l'interface entre les eNodeBs. Les fonctionnalités X2 sontdivisées en C-plan et U-plan fonctionnalités.

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Les fonctions du protocole X2-CP inclus les fonctions de mobilité de l’UE entre eNodeBs comme lasignalisation du handover, le contrôle du tunnel U-plan, et la gestion des fonctions des ressources radiomulticellulaire : comme les rapports d'erreurs de mesure et la gestion générale.

Le protocole X2-UP tunnel paquets utilisateur final entre les eNBs. Les fonctions supportées du tunnelingsont l’identification des tunnel/paquets avec le paquet et la gestion des pertes de paquets.

X2-PC a SCTP comme protocole de couche de transport, tout comme le protocole S1-CP.X2-UP utilise généralement GTPU sur UDP / IP comme protocole de couche de transport, tout comme leprotocole S1-UP. S1-UP-UP et X2 utiliser le même protocole U-plan pour réduire au minimum le traitementau niveau des eNodeBs au moment de la transmission des données [13].

Figure 16: Interface X2

LTE States and Packet Connection

Simplification des États RRC dans LTE

LTE présente une version simplifiée CRR illustré dans la figure suivante [12]:

Figure 17: Les états RRC dans LTE

Re-sélection de cellules: IdleMode

Dans RRC_IDLE l'UE déclenche la re-sélection de cellules. L'UE prend des mesures sur le service et les cellulesvoisines pour permettre le processus de re-sélection. Pour les mesures au sein de l'E-UTRAN, au moins deux

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grandeurs de mesure de base UE doivent être prises en charge:

Symbole de Référence Puissance Reçu (SRPR).

E-UTRA Indicateur transporteur Received Signal Strength Indicator (RSSI).

La re-sélection de cellule identifie la cellule au quel l'UE devrait se connecter. Elle est basée sur lescritères de re-sélection de cellules, ce qui implique des mesures de la signification et des cellules voisines[13].

Figure 18: Resélection de cellules - Idle Mode

Procédure de signalisation RRC

Avant que toute chose soit faite dans LTE, la connexion Radio Resource Control (CRR) doit être établie. Laconnexion RRC est un lien logique entre l'E-UTRAN et l'UE, avec les caractéristiques suivantes [13]:

Utilisé pour identifier tous les E_UTRAN UE de signalisation dans le domaine de paquets.

Une seule connexion RRC à tout moment.

Utilisé par le E_UTRAN à suivre à la fois l'emplacement et l'état de l'utilisateur pendant la durée d'un appelou un paquet de données de session.

Tous les messages envoyés sur cette connexion font partie du protocole RRC.

L'UE est identifiée par une cellule radio du réseau identificateur temporaire (c_RNT I).

Après cet égard, l'UE se déplace à la l’état connecté RRC comme le montre la figure

[Ci-après 19]:

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Figure 19: Procédure de signalement RRC

Procédure de base pour établir une connexion de l'LTE

La figure suivante montre les étapes de bas pour une connexion LTE

Figure 20: Connexion des paquets dans LTE

GUTI is a Globally Unique Temporary Identifier identifie de façon unique la MME qui a attribué la Guti ainsique l'UE dans la MME.

NAS (Non Access Stratum) est une couche fonctionnelle qui tourne entre l'UE et le CN (Core Network). Lacouche prend en charge le trafic et les messages de signalisation entre le CN et l'UE (User Equipment).

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LTE Air Interface Radio Aspects

La transmission radio LTE et les spécifications de réception sont documentés dans 36,101 pour l'UE etde 36,104 pour le ENB (station de base).

Modes d’accès radio

Dans LTE les deux modes de multiplexage utilisées sont FDD et le Time devisions duplex TDD.D'autres modes d'accès peuvent être définis, et half-duplex FDD est envisagée. Half-duplex FDD permet lepartage de matériel entre la liaison montante et descendante. Depuis la liaison montante et descendante nesont jamais utilisées simultanément (voir la figure (21)).

Figure 21: Techniques de multiplexage dans LTE [12]

largeur de bande de transmission

3GPP a défini la bande passante de LTE comme "bande passante agnostique», ce qui permet à labande passante de s'adapter aux différentes largeurs de canaux sélectionnables de 1,4 à 20 MHz, avecsous-porteuse de l'espacement de 15 kHz (voir tableau ci-dessous). Si la nouvelle eMBMS LTE est utilisé,une sous-porteuse espacement de 7,5 kHz est également possible [11].

Figure 22: Transmission BandWith [11]

La plus petite quantité de ressources qui peuvent être attribués à la liaison montante ou descendanteest appelée un bloc de ressource (RB). Un RB est de 180 kHz de large et une durée d'un intervalle detemps de 0,5 ms. Pour la norme LTE, une BO comprend 12 sous-porteuses à 15 kHz espacement, et poureMBMS avec l'option sous-porteuse 7,5 kHz comprend une RB 24 sous-porteuses de 0,5 ms. Le nombremaximum de RBS en charge par chaque largeur de bande de transmission est donné dans le tableau ci-dessus [11].

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Les bandes de fréquences supportées

Les spécifications LTE héritent de toutes les bandes de fréquences définies pour l'UMTS, qui est uneliste qui ne cesse de croître. Il existe au moment d'écrire ces lignes 15 bandes exploitation FDD et TDD 8bandes d'exploitation.

Il n'ya pas de consensus sur lequel la bande LTE sera d'abord déployée, car la réponse dépendfortement de variables locales. Cette absence de consensus est une complication importante pour lesfabricants d'équipements et contraste avec le début de GSM et W-CDMA, qui sont tous deux indiqué quepour une seule bande [11].

Figure 23: Bandes de fréquences supportées

Technologie d'accès multiple dans la liaison descendante: OFDM et OFDMA

La transmission montante et descendante dans LTE est basée sur l’utilisation de technologie d’accèsmultiple plus précisément, orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) pour la liaisondescendante, single-carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) pour la liaison montante.

OFDMA est une variante de la technologie orthogonale frequency division multiplexing (OFDM), unsystème numérique de modulation multi-porteuse qui est largement utilisé dans les systèmes sans fil, maisrelativement nouveau pour les réseaux cellulaire.

Plutôt que de transmettre un flux à haut débit des données avec une seule porteuse, OFDM utilise ungrand nombre de sous-porteuses orthogonales rapprochés qui sont transmises en parallèle.

Chaque sous-porteuse est modulée avec un schéma de modulation classiques (tels que QPSK, 16QAM,64QAM) à un débit de symboles bas. La combinaison des centaines ou des milliers de sous-porteuses

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permet des débits de données similaires aux schémas de modulation à porteuse unique dans la mêmebande passante [11].

Le schéma de la figure (24) prises de 25,892 TR illustre les principales caractéristiques d'un signalOFDM en fréquence et en temps:

Dans le domaine des fréquences, les sous-porteuses multiples sont chacun indépendamment moduléavec les données.

Dans le domaine temporel, intervalles de garde sont insérés entre chaque symbole pour éviter touteinterférence inter-symbole au niveau du récepteur occasionnée par la propagation par trajetsmultiples ou retards dans le canal radio.

Figure 24:Le signal OFDM en fréquences et temps (25.892 Figure 1)

Par rapport à la technologie CDMA sur laquelle est basé l'UMTS, OFDM offre un certain nombre d'avantages distincts[11]:

OFDM peut facilement être étendue à des canaux plus larges, plus résistantes à la décoloration.

égaliseurs de canaux sont beaucoup plus simples à mettre en œuvre que sont les égaliseurs CDMA, car le signalOFDM est représenté dans le domaine des fréquences plutôt que le domaine temporel.

OFDM peut être complètement résistants à la dispersion des retards multiples. Cela est possible parce que lessymboles de long utilisé pour OFDM peuvent être séparées par un intervalle de garde connu sous le nom lepréfixe cyclique (CP). Le CP est une copie de la fin d'un symbole inséré au début.

OFDM est mieux adaptée à MIMO. La représentation dans le domaine de fréquence du signal permet de pré-codage facile en fonction du signal à la fréquence et les caractéristiques de la phase de la station radio de trajetsmultiples.

Toutefois, OFDM présentent certains inconvénients. Les sous-porteuses ne sont pas bien espacées cequi fait que OFDM est sensibles aux erreurs de fréquence et au bruit de phase. Pour la même raison, OFDMest également sensible à l'effet Doppler, ce qui provoque des interférences entre les sous-porteuses.

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OFDM crée également des signaux haute crête à la moyenne, et c'est pourquoi une modification de latechnologie appelée SC-FDMA est utilisé dans la liaison montante. SC-FDMA est discuté plus tard. Il estconnu qu’OFDM sera plus difficile à exploiter que CDMA au bord des cellules. CDMA utilise des codes debrouillage pour fournir une protection contre les interférences intercellulaires au bord cellule, alors qu’OFDMn'a pas ces caractéristiques [11].

Les principales différences entre CDMA et OFDMare résumées dans le tableau ci-dessous [11]:

Attribut CDMA OFDMA

Bande passante

Bande passante complètedu système

bande passante variable dusystème

ordonnancement sélectif enfréquence

N’est pas possible Un des principaux avantages del'OFDM est qu'elle nécessitedes informations en temps réeldes conditions du canal durécepteur à l'émetteur

Période du symbole

Renversement Très courtde la bande passante dusystème

espacement des sous-porteuseet indépendant de la bandepassante du système

Résistance à la propagationmulti trajet

Difficile au-delà de5MHz

Entièrement libre de ladistorsion multi trajet au-delàde la longueur CP

Aptitude à MIMO

Requiert une puissance decalcul importante due à ladéfinition du signal dansle domaine temporel

Idéal pour MIMO due à lareprésentation du signal dans ledomaine fréquentiel et lapossibilité de l'allocation enbande étroite pour suivre lavariation en temps réel dans lecanal

En moyenne, à travers lecanal par le processus de

vulnérable pour la distorsion àbande étroite et interférence

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La sensibilité à la distorsiondans le domaine fréquentielet les interférences

propagation

Séparation des utilisateurs codes d’étalement etdésétalement orthogonaux

Ajout de la Notion defréquence et le temps

OFDMA incorpore des éléments de Time Division Multiple Access (TDMA), de sorte que les sous-porteuses peuvent être allouées dynamiquement entre les différents utilisateurs du canal, comme le montrela figure (25).

Figure 25: Allocation des sous bandes OFDM et OFDMA [11]

Le résultat est un système plus robuste avec une capacité accrue. La capacité vient de l’efficacitéacquise par le multiplexage des utilisateurs à faible taux sur un canal plus large pour fournir une capacitédynamique en cas de besoin, la robustesse vient de la possibilité de programmer les utilisateurs parfréquence pour éviter toute interférence à bande étroite et multiples [décoloration 11].

technologie d'accès multiple dans la liaison montante: SC-FDMA

Le taux élevé de crête à la moyenne (PAR) associée à OFDM conduit 3GPP pour trouver un schéma detransmission différent pour la liaison montante LTE. SC-FDMA a été choisi car il combine les techniquesPAR faibles des systèmes de transmission à porteuse unique, comme le GSM et CDMA, avec la résistance etl'attribution des fréquences multiples souple d’OFDMA [11].

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Comparaison OFDMA et SC-FDMA

Une comparaison graphique d’OFDMA et SC-FDMA comme le montre la figure (26) est utile pourcomprendre les différences entre ces deux schémas de modulation.

Pour plus de clarté cet exemple utilise seulement quatre (M) de sous-porteuses sur deux périodes desymboles avec les données utiles représentée par la modulation Quadrature Phase Shift Keying (QPSK).

Comme indiqué précédemment, les signaux réels LTE sont situés dans des unités de 12 sous-porteuses adjacentes.

Sur le côté gauche de la figure (26), sous-porteuses adjacentes M 15 kHz, déjà positionné à l'endroitdésiré dans la bande passante du canal, sont chacun modulé pour la période du symbole OFDMA 66.7μspar un symbole de données QPSK. Dans cette exemple, quatre sous-porteuses, quatre symboles sont prisesen parallèle. Après une période de symbole OFDMA est écoulé, le CP est inséré et les quatre prochainssymboles sont transmis en parallèle.

Pour plus de clarté visuelle, le CP est montré comme une lacune, mais il est effectivement rempli avecune copie de la fin du symbole suivant, ce qui signifie que la puissance de transmission est continue, maisa une discontinuité de phase à la limite du symbole [11].

Figure 26: Comparaison d'OFDMA et SC-FDMA transmettant une série de données QPSK [11]

Pour créer le signal transmis, une IFFT est effectuée sur chaque sous-porteuse pour créer des signauxM dans le domaine temporel. Celles-ci sont des vecteurs additionnés pour créer la forme d'onde final dansle domaine temporel utilisé pour la transmission.

La différence la plus évidente entre les deux régimes est que OFDMA transmet les quatre symbolesQPSK données en parallèle, l'un par sous-porteuse, le SC-FDMA transmet les quatre symboles QPSK dedonnées en série à quatre fois le taux, avec chaque symbole de données d'occupation Mx 15 kHz bandepassante.

Visuellement, le signal est clairement OFDMA multi-porteuses avec un symbole de données par sous-porteuse, mais le signal SC-FDMA semble être plus comme un simple support (d'où le "SC" dans le nom deSC-FDMA) avec chaque symbole de données en cours représenté par un signal de largeur.

Chap1 :


Notez que la longueur OFDMA et le symbole SC-FDMA sont les mêmes à 66.7μs, mais le symbole SC-FDMA contient M "sous-symboles" qui représentent les données de modulation. Il s'agit de la transmissionen parallèle de plusieurs symboles qui crée le PAR indésirables élevé de OFDMA.

En transmettant les symboles de données en série M à M fois, la bande passante SC-FDMA occupé estle même que plusieurs porte-OFDMA, mais, surtout, le PAR est le même que celui utilisé pour les symbolesde données d'origine. L'addition de nombreuses formes d'ondes à bande étroite QPSK en OFDMA créeratoujours plus élevé des pics que ce ne serait vu dans la plus large bande passante, la forme QPSK seuleonde porteuse du SC-FDMA.

Comme le nombre de sous-porteuses M augmente, le PAR du OFDMA avec modulation aléatoire dedonnées statistiques approches bruit gaussien, mais, indépendamment de la valeur de M, le PAR SC-FDMAreste la même que celle utilisée pour les symboles de données d'origine [11].

Présentation des techniques d'antennes multiples

Au centre de LTE est la notion de techniques d'antennes multiples, qui sont utilisés pour augmenter lacouverture et la capacité de la couche physique.

MIMO augmente la capacité spectrale des données transmittingmultiple flux simultanément dans lamême fréquence et le temps, en tirant pleinement parti des chemins différents dans la station de radio[11].

La forme la plus basique de MIMO assigne un flux de données pour chaque antenne et est illustré à lafigure (27)

Figure 27: 2x2 MIMO [11]

Après avoir décrit une forme de base de techniques d'antennes multiples, nous nous intéressonsmaintenant à ce que LTE a précisé.

Différent mode de transmission d’antenne : LTE downLink :

Six modes de transmission multiples antennes ont été définis pour LTE pour optimiser lesperformances de liaison descendante dans des conditions variables de radio [11].

Chap1 :


1. Une seule antenne-SIMO: utilise un seul émetteur, et depuis l'UE doit avoir au moins deux récepteurs, il s'agitd'une configuration SIMO, mieux connu sous le nom, la diversité de réception.

2. Transmettre la diversité MISO: LTE supporte des antennes de deux ou quatre de la diversité Tx.

3. En boucle ouverte de multiplexage spatial, MIMO, sans pré-codage: La désignation en boucle ouverte se réfèreau fait qu'il n'existe pas de pré-codage des cours d'eau, qui sont plutôt directement mappés à chaque antenne.

4. En boucle fermée de multiplexage spatial, MIMO, pré-codage: Le quatrième mode est MIMO à boucle fermée,ce qui nécessite pré-codage des flux de données. Selon le précodage utilisé, chaque mot de code est représenté àdifférentes puissances et les phases sur les antennes.

5. MIMO multi-utilisateurs-MIMO, UE distinctes: Il s'agit d'un cas particulier du mode 3 dans lequel les mots decode sont destinés à différentes UE.

6. En boucle fermée pré-codage-MISO, orientation du faisceau: L'efficacité des augmentations d'orientation dufaisceau avec le nombre d'antennes de transmission, ce qui permet la création d'un faisceau plus étroit.

Différent mode de transmission d’antenne : LTE UpLink

Trois types de techniques multiples d'antenne sont définis pour la liaison montante [11]:

1. Recevez la diversité à l’eNodeB

2. SU-MIMO pour unique UE: Mettre en œuvre SU-MIMO l'UE aura besoin de deux émetteurs. Il s'agit d'un défiimportant en termes de coût, la taille et la consommation de la batterie, et pour ces raisons SU-MIMO n'est pasactuellement une priorité pour le développement.

3. MU-MIMO pour Multiple UE (voir la figure (28)): n'augmente pas le taux de données d'un utilisateurindividuel, il offre un gain sur la capacité des cellules qui sont similaires ou meilleurs que ceux fournis par lesSU-MIMO.

Figure 28: MU-MIMO dans uplink [11]

Aspects protocole LTE

LTE protocoles plan utilisateur

Chap1 :


Figure (29) montre protocoles plan utilisateur [13]:

Sous-couche physique: Tout comme les autres interfaces radio sans fil, la couche physique effectueLTE FEC encodage / décodage, la détection d'erreurs sur les chaînes de transport, de la modulation /démodulation de canaux physiques, la synchronisation, la mesure des rapports aux couchessupérieures, la cartographie de la couche physique et le traitement RF. Il fournit un support pourtraiter le handover, la diversité et MIMO. La couche physique LTE soutiendra Hybrid ARQ et lapondération la puissance des ressources matérielles. Avec les autres fonctions habituelles. Il n'est pasencore décidé si la couche physique en charge les canaux physiques.

Sous-couche MAC: La sous-couche MAC est entre l'UE et l'eNodeB. Avec la programmation, il effectuela correction des erreurs par le biais HARQ traitement prioritaire, à travers des UE ainsi que dans lesdifférents canaux logiques d'une UE et de multiplexage / démultiplexage des différents porteurs deradio RLC de la couche physique sur les chaînes de transport.

Sous-couche RLC: La sous-couche RLC est entre l'UE et l'eNodeB. Avec le transfert UFC couchesupérieure, la RLC corrige les erreurs par ARQ, la livraison des séquences du PDU au couchesupérieure, la détection des doublons, et le contrôle de flux et de concaténation / remontage depaquets.

Packet Data Convergence Protocol (PDCP) Sous-couche: Pour le plan d'utilisation, la sous-couchePDCP effectue une compression d'en-tête et le chiffrement.

Figure 29: Plan des protocles de contrôle [13]

Avec [13] :

Sous-couche RRC: La sous-couche RRC, en substance, effectue la radiodiffusion, la gestion desconnexions, de contrôle avec radio, les fonctions de mobilité, gestion de la QoS et de mesure UE,Reporting et le contrôle. fonctions de mobilité de la RRC comprennent des rapports de mesure UE etle contrôle des rapports d'inter-cellulaires et la mobilité inter-RAT, transfert inter-cellulaire, la sélectionet resélection de cellules UE, et le transfert de contexte entre eNodeBs.

Couche de PDCP: Il n'est pas encore décidé si le PDCP sera utilisés pour assurer la protection del'intégrité et le chiffrement des messages de signalisation aux NAS. S'il est présent, il est fort probableprésents à la eNodeB.

L'accès non Stratum (NAS) Sous-couche: La sous-couche NAS est entre l'UE et l'AGW. Il effectuel'authentification, le contrôle de sécurité.

Chap1 :


Caractéristiques de la couche physique

Structure de trame

La couche physique supporte les deux systèmes d'accès multiples décrits précédemment: OFDMA surla liaison descendante et SC-FDMA sur la liaison montante.

En outre, les spectres pairs et impairs sont pris en charge à l'aide de duplexage par répartition enfréquence de division de temps (FDD) et recto-verso (TDD), respectivement

Bien que la liaison LTE descendante et montante utilise des régimes d'accès multiples différents, ilspartagent une structure de trame commune. La structure de cadre définit le cadre, emplacement, et lesymbole dans le domaine temporel.

Deux structures de trame radio sont définis pour LTE et démontré dans les figures (30 et 31).

Figure 30: structure de la trame LTE type 1 (36.211 Figure 4.1-1)

Les structure de trames type 1 est défini pour le mode FDD. Chaque trame radio est de 10 ms de longet se compose de 10 sous-trames. Chaque sous-trame contient deux fentes [11].

Figure 31: structure de la trame LTE type2

La structure de trame de type 2 est défini pour le mode TDD. Cet exemple se compose de deux demi-trames de 5 ms pour une durée totale de 10 ms. Sous-cadres sont constitués soit une liaison montante oudescendante de transmission ou un sous-cadre qui contient les intervalles de temps de liaison descendante

Chap1 :


et montante pilote (DwPTS et UpPTS) séparés par un intervalle de transmission période de garde (GP).

Les Sous-trames 0 et 5 sont toujours utilisé dans les transmissions descendante, sous-trame 1 esttoujours un berceau spécial et sous-trame 2 est toujours utilisé dans la transmission montante [11].

Symbole OFDM et le préfix cyclique

Un des avantages clés des systèmes OFDM (y compris les SC-FDMA dans ce contexte) est la capacitéde protéger contre la propagation par trajets multiples retards. Les symboles OFDM permettentl'introduction d'une période de garde entre chaque symbole pour éliminer les interférences inter-symbolesen raison de la propagation par trajets multiples.

Si la période de garde est plus longue que la dispersion des retards dans la chaîne de radio et sichaque symbole OFDM est cyclique prolongée dans la période de garde (en copiant la fin du symbole pourle départ de créer le préfixe cyclique), alors le symbole de l'interférence inter- peuvent être complètementéliminées [11].

Figure 32: structure de symboles OFDM

La longueur du préfixe cyclique pour la liaison descendante et montante sont indiqués dans le tableauci-dessous. Dans le cas de liaison descendante, Δf représente l'espacement de 15 kHz ou 7,5 kHz sous-porteuse [11].

Modulation

Chap1 :


Figure 33: schémas des modulations LTE

Traitement du signal et des schémas de modulation de canal pour la DL et UL sont présentés dans lafigure (33).

HARQ et AMC

La latence et le débit sont deux mesures importantes de la performance des systèmes decommunication numériques. LTE utilise un certain nombre de mécanismes dans la couche physique pouraméliorer les performances dans ces deux domaines; notamment, les demandes de répétition automatiquehybride (HARQ) de traitement et de la modulation et le codage adaptatifs (AMC).

HARQ est une technique pour faire en sorte que les données sont envoyées de façon fiable d'unnoeud de réseau à l'autre, identifier les cas où des erreurs de transmission se produisent et de faciliter laretransmission source manifestations prévues. LTE utilise Type-II protocoles HARQ, semblable à HSPA etHSPA +.

AMC est le mécanisme utilisé pour l'adaptation lien pour améliorer le débit des données dans un canalà évanouissements. Cette technique fait varier la modulation descendante schéma de codage sur la base

Chap1 :


des conditions du canal de chaque utilisateur [11]:

Lorsque la qualité de la liaison est bonne, le système LTE peut utiliser un système de modulationd'ordre supérieur (plus de bits par symbole) ou moins codage de canal, qui aboutit à des débits plusélevés.

Lorsque les conditions de liaison sont pauvres à cause de problèmes tels que la décoloration ou desinterférences du signal, le système peut utiliser une profondeur inférieure modulation ou le codage decanal plus fort pour maintenir une marge acceptable dans le bilan de liaison radio.

Le Type-II HARQ (voir figure ci-dessous) utilise une redondance supplémentaire pour ajouter des bitsde redondance pour chaque retransmission successive, réduisant ainsi le taux de codage en vigueur jusqu'àce paquet peut être décodé correctement.

Figure 34: Type-II HARQ

Conclusion

Ce chapitre représente une vue d'ensemble de spécifications LTE et les exigences de haut niveau pourLTE / SAE incluant la simplifié de l'architecture du réseau, de bande passante évolutive, des servicesaméliorés et l'utilisation de la diversité avec la technique MIMO.

Après la compréhension des concepts LTE, il est temps d'étudier le dimensionnement et LTE processusde planification qui sera présenté dans le chapitre suivant.

Chapitre 3 : Etude théorique et conception dudimensionnement et Planification des réseaux LTE

Introduction

Ce chapitre, illustre les étapes de dimensionnement et de planification d’un réseau radio LTE, ycompris le calcul théorique de la perte de propagation permise MAPL, le nombre de cellules nécessaire pourcouvrir la zone choisie ensuite, nous allons concevoir un outil de planification et de dimensionnement afin

Chap1 :


d'automatiser ces calculs théoriques.

Notre étude a été effectuée pour un réseau qui comporte huit services différents (Speech 12,2 ; CS64; PS128 ; PS256 ; PS384 ; PS1Mbps ; PS2Mbps) et trois environnements (dense urbain ; urbain ;suburbain).

Elle se décompose en trois grandes phases :

La phase pré planification : cette phase correspond à l’étape de dimensionnement du réseau d’accès. Ellecorrespond aussi à l’élaboration des données nécessaires pour la phase de planification (rayon de cellule, nombrede cellule nécessaire, modèle de propagation…).

La phase de planification : elle correspond à l’introduction des sites au niveau de la zone géographiqueconsidérée, l’ajustement des paramètres des sites, des secteurs et des cellules selon les contraintes déjà fixées.

La phase post planification : elle correspond à l’étude de la qualité de service et de la capacité du réseauplanifié afin de l’optimiser pour qu’il soit conforme aux exigences. Cette étape se base sur les résultats desprédictions et des simulations réalisées.

Dans la phase de dimensionnement, il faut estimer le nombre de stations de base et leursconfigurations. Cette estimation est basée essentiellement sur les exigences de l’opérateur et les conditionsde propagation radio dans la zone à planifier. Le dimensionnement dépend aussi des exigences del’opérateur en termes de couverture, de capacité et de qualité de service QoS.

La capacité et la couverture sont liées, cependant, elles doivent être considérées simultanément.

3744. Les facteurs influant sur la planification LTE

Ils existent plusieurs facteurs influant la planification d’un réseau LTE, on peut citer:

L’attribution de fréquence

La bande passante (1.4, 3, 5, 10,15 Mhz)

Les services offerts

La zone géographique

Les capacités de l’eNB et l'UE

La réutilisation des fréquences attribuées pour chaque site

Le réseau LTE est très flexible, c'est à dire qu'il peut être déployé dans différentes bandes defréquences en utilisant une variété de largeurs de bande.

En plus de la réutilisation des fréquences standards, la planification radio d’un réseau LTE peut aussiemployer le SFR (Soft Frequency Reuse).

Chap1 :


Pour expliquer le concept de SFR, il faut d'abord expliquer la notion de la réutilisation des fréquencesfractionnaires FFR (Fractionnel Frequency Reuse) et la réutilisation des fréquences partielles PFR (PartielFrequency Reuse).

En LTE, les deux sous-porteuses d’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) et SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) utilisent 15 KHz, qui sont ensuite regroupés enblocs de ressources matérielles PRB (Physical Resource Blocks), contenant chacun 12 sous-porteuses quiéquivaut à 180 kHz de spectre.

Il existe des manières variées pour l’affectation des blocs de ces ressources matérielles (PRB), ainsique pour la mise en œuvre FFR, PFR et SFR.

Les systèmes FFR et PFR sont à la fois basée sur l'attribution d'un certain nombre de ces BPR dans unsecteur. Le principal problème avec eux est qu'ils limitent le débit maximal disponible pour l'utilisateur carelles ne sont pas en mesure d'allouer la bande passante.

En comparaison, la notion de réutilisation des fréquences Soft (SFR) permet au système de maximiserla capacité du réseau en permettant à chaque secteur d'utiliser la bande passante. Pour ce faire, SFR ajustela puissance allouée à certains PRB afin d’atténuer ICI (Inter Cell interférence). Il permet également à l'eNBd'allouer la bande passante complète (tous les BPR à une puissance plus faible) pour les utilisateurs àproximité de la cellule, il y en atteignant des taux de pointe plus élevés.

Figure 35: comparaison entre FFR et SFR [6]

Le Dimensionnement par couverture

Le bilan de liaison : Définition et principes

Lors de la planification d'un réseau radio, nous nous demandons quelle est la distance maximale quisépare l'émetteur et le récepteur tout en conservant la communication (à un certain niveau de qualitédéfini). Nous constatons que le premier pas nécessaire pour répondre à cette question de distance maximale de

Chap1 :


séparation émetteur/récepteur est de déterminer l'affaiblissement du signal qui peut être tolérée.

Dans la plupart des systèmes de communication, le flux d'informations est bidirectionnel.

Donc, il s'agit de réaliser en parallèles deux bilans de liaison ayant essentiellement le même principe :un pour le lien montant et un deuxième pour le lien descendant.Nous devons considérer les deux liens pour évaluer la probabilité d'être en mesure d'établir le lien decommunication.

Définition

Le bilan de liaison consiste à calculer pour chaque service les pertes de propagation maximaleadmissible notée MAPL (Maximum Allowable Power Losses) qu'un mobile situé au bord de la cellule peutatteindre tout en respectant le niveau de sensibilité de la station de base.

Comme pour le GSM, les calculs du bilan de liaison tiennent compte de tous les gains et les pertesentre la puissance émise par la station mobile et la puissance reçue par le Node-B.

Pourquoi on utilise un bilan de liaison?

Il est un élément essentiel pour la détermination de la couverture cellulaire et la sélection de l’emplacementdu site cellulaire. Le bilan de liaison ne peut pas décider seule de la séparation physique entre Tx et Rxparce que les caractéristiques de propagation radio sont différents pour une autre fréquence et un autreenvironnement. Le bilan de liaison, la fréquence de fonctionnement, le modèle de propagation, et lesparamètres de Tx / Rx servent à prédire le rayon de la cellule de couverture cellulaire.

Principe du bilan de liaison

Le bilan de liaison est exécuté pour un mobile situé au bord de la cellule (pour chaque service) entransmettant à la puissance maximale (voir la figure). Sur la liaison montante, une cellule est généralementdimensionnée par sa couverture.

En LTE, que divers services sont proposés sur l'interface radio même, les bilans de liaison doivent êtrecalculés pour tous les différents services. Le système (environnement spécifique) sera dimensionné pour leMAPL moyenne de tous les services.

Chap1 :


Figure 36: Rayon maximum de la cellule [7]

Paramètres clé du bilan de liaison

La puissance reçue Ci du mobile UE à la eNode-B au bord de la cellule de transmission avec sespuissance maximale est donnée par:

(3.1)

Avec:

est la puissance d’émission maximale de l'UE.

, sont respectivement le gain et les pertes au niveau de l’émetteur.

, représentent le gain et les pertes au niveau du récepteur.

les pertes induites par l'utilisateur, généralement 3dB de pertes sont considérés comme desservices vocaux et de 0 dB pour les services de données

les pertes induites des bâtiments, fenêtres ou véhicule en fonction de l'objectif de couverture depénétration (profondeur ou de la lumière en intérieur, extérieur).

Les pertes de propagation peuvent être exprimées en fonction du rayon de cellule L :

Chap1 :


Rcell:

(3.2)

Pour assurer la couverture, la puissance reçue au eNode-B devrait être supérieur à la sensibilité eNode-B.

Les caractéristiques du mobile

Puissance d’émission maximale de l’UE

La puissance d'émission maximale d'un UE dépend de la classe de puissance du UE.

Gain de l’antenne du UE

En OFDMA généralement 0 dB de gain d'antenne est considéré pour les UE.

Perte du corps (Body Loss)

Ces pertes sont dues à l'absorption d'une partie de l'énergie transmise par le corps humain.

Cette valeur est prise en considération uniquement pour le service vocal.

Chap1 :


caractéristiques du eNode-B

La sensibilité du eNobe-B

C'est le niveau minimal du signal requis pour atteindre une qualité précise sous contrainte du bruit thermiqueseulement.

(3.3)

Ou

: eNode-B figure de bruit est la mesure de la dégradation du rapport signal sur bruit (SNR), causée par lescomposants de la chaîne du signal RF. Il est le ratio de bruit de sortie réelle de ce qui resterait si le dispositif lui-même n'a pas introduit de bruit.

: densité de bruit thermique est la puissance de bruit par unité de bande passante (densité spectrale depuissance du bruit) ; 10log (NTH) = -174dBm/Hz

: Rapport signal / bruit par bloc de ressources.

• : Nombre de blocs de ressources (RB) requises pour atteindre un débit de données.

• : Bande passante d'un bloc de ressource (un bloc de ressources est composé de 12 sous-porteuses,chacune d'une largeur de bande 15KHz ,WRB= 180kHz)

cible dépend :La performance des équipements eNodeB. les conditions de la radio (multipath fading profil,vitesse mobile). diversité de réception (2-way par défaut ou en option à 4 voies). Le taux cible des données et laqualité de service. La modulation et le schéma de codage (MCS). Le nombre maximum de transmissions autoriséHARQ (max de 4 sur UL).

Gain de l'antenne

Le gain moyen d'une antenne tri-sectorielle dépend de la bande de fréquences.

Perte due aux câbles et aux connecteurs (dB)

Elle dépend du type des câbles et de la largeur de la bande de fréquence.

Probabilité de couverture de la zone cellulaire

Chap1 :


En général, un objectif de couverture cellulaire de 95% est considéré pour les environnements

urbains dense, urbain et suburbain, et 90% en milieu rural.

Charge de la cellule (cell load)

Elle dépend du nombre d'utilisateurs dans la cellule.

Augmentation du Bruit (noise rise)

Par définition, la charge de la cellule et noise rise sont liés par la formule suivante :

(3.4)

Les différentes marges

Marge d'interférence

Lorsque la marge de l'interférence augmente, le bilan de liaison diminue.En général les chiffres de sensibilité sont déterminés en considérant que le bruit thermique. Toutefois, dans lesbudgets de liaison, l’interférence Ij doit être considérée et non pas seulement le bruit thermique.Cela signifie que lapuissance reçue C doit satisfaire la condition suivante :

(3.5)

Avec:

(3.6)

Augmentation du bruit WCDMA Par définition, la charge de la cellule et l’augmentation totale de

Chap1 :


l’interférence ("Noise Rise») sont liés: Cette marge interférence peut être exprimée en fonction de l'augmentationdu bruit ou de la charge de la cellule.

(3.6)

Avec :

- Ij est la puissance totale reçue au Node B (y compris le signal utile).

- XUL est la charge de la cellule de la liaison montante

Les différences entre LTE et WCDMA:

Pour LTE, les perturbations sont dues aux cellules adjacentes uniquement (pas d'interférence intracellulaire) et il n'y apas de concept de la charge de cellule. Bien que la charge maximale de cellule WCDMA dépend du contrôle de lastabilité de puissance.

(3.7)

Avec :

- RBLoad : pourcentage moyenne de chargement des blocs de ressources des cellules adjacentes.

- FAvg : le ratio moyen entre l'interférence extracellulaire et le signal utile parvenue à la eNode-B.

- TSINR : c’est le SINR des cellules edge

Marge du shadowing

Les effets de masque (shadowing) sont créés lorsque l’onde traverse des obstacles tel que lesbâtiments, les terrains, etc. Par exemple pour une réception à l’intérieur (indoor), il faut traverser un mur.L’atténuation due aux arbres se matérialise par une décroissance exponentielle de l’intensité du signal.

Les effets de shadowing peuvent, soit atténuer la puissance du signal, soit modifier les caractéristiquesde l’onde.

L’effet de masque (shadowing ) ne doit pas être confondue avec l’évanouissement rapide (fast fading)qui a une autre origine physique, il est du aux multi-trajets, et se manifeste trop pour les petites distances.Les Mesures sur le terrain ont montré que l'observation a une distribution log-normale (ce qui signifie queson logarithme normalement distribué) avec une moyenne de zéro et un écart type qui est une fonction del'environnement en particulier. Les environnements plus denses ont tendance à avoir un plus grand écart-

Chap1 :


type et les environnements plus ouverts ont tendance à avoir un plus petit écart-type.

Marge de pénétration

Afin de garantir un niveau donné de couverture intérieure, une marge de pénétration doit êtreconsidérée dans le bilan de liaison. Cette marge dépend donc du taux de couverture intérieure ciblé parl'opérateur et précisément de la matière des murs et du nombre de murs/fenêtres. La plupart des liens deliaison prennent en compte le fait que les UEs seront utilisés à l'intérieur d'une sorte de structure soit d'unvéhicule ou un bâtiment. Cependant, le calcul de la marge de pénétration est beaucoup moins rigoureuxque celui de la marge de l'effet de masque (shadowing).

→ Pour les systèmes 3G, la marge de pénétration dépend uniquement de l’environnement et du modèle depropagation.

→ Pour LTE, la marge de pénétration dépend de l’environnement et de la fréquence utilisée.

Voici quelques pertes de pénétration typique :

Figure 37: Marge de pénétration pour différents environnements [8]

Marge de l'évanouissement rapide (Fast Fading Margin)

Dans les calculs du bilan de liaison, le mobile est supposé être au bord de la cellule et transmettre àsa puissance maximale. Cela signifie qu'il ne sera plus possible de suivre les changements rapidesd'évanouissement. La qualité va donc dégrader. Le bilan de liaison devrait alors considérer cettedégradation par l'ajout d'une marge d'évanouissement rapide.

Nombre de blocs de ressources nécessaires

Le calcul du nombre requis de bloc de ressources pour soutenir le débit de données minimum pour unservice J est lié à un certain nombre de symboles OFDM, le nombre de sous-porteuses, la modulation et letaux de codage. Le nombre de RB requis pour différents services sont résumées dans ce tableau:

Chap1 :


Figure 38: Nbr de RB pour des différents taux de données [8]

Gain Handoff

Contrairement à l'UMTS / WCDMA ou CDMA, il n'existe pas de fonctionnalité de transfert pour les soft-LTE (aucun gain soft-handoff pris en considération pour LTE). Un mobile situé au bord d’une cellule peutencore remis à une cellule voisine avec un effet de masque plus favorable.Toutefois, aucun gain n’est généralement appliqué dans le GSM. Pour LTE la fréquence d'échantillonnagepour les décisions handoff ainsi que le transfert de contrôle de vitesse elle-même est beaucoup plus rapideque le GSM, ce qui conduit à un gain handoff LTE pas beaucoup inférieure à celle envisagée pour WCDMA.

Le MAPL final et le rayon de la cellule

Pour chaque service offert par l'opérateur, nous avons pu tirer à partir du bilan de liaison, les pertesde propagation maximales fournies à un mobile situé au bord de la cellule, c'est ce qu'on appelle lepathloss maximal admissible dont la formule est la suivante :

L'équation finale du bilan de liaison montant devient :

(3.8)

Chap1 :


Figure 39: Calcul du MAPL [7]

Après avoir déterminé l’expression du MAPL pour chaque service d'un environnement i, on considère la moyenne duMAPL (MAPL moy en dB) comme suit:

(3.9)

Avec :

) est le pourcentage d'utilisation d'un service j dans un environnement i.

Le rayon de la cellule pour un environnement i peut être déduit comme suit:

(3.10)

Modèle de propagation

La prévision de couverture ne serait pas possible sans l'utilisation d'un modèle de propagation d'onde.En effet, le modèle de propagation permet de déduire le rayon de la cellule à partir du résultat fourni par lebilan de liaison. K1 et K2 caractérisent le modèle de propagation :

Chap1 :


Le modèle Okumura Hata est utilisé pour une bande de 700, 850 ou 900 MHz.

K1 = 69.55+26.16×log(FMHz )−13.82×log(Hb)−a(Hm)+Kc

Avec : a(Hm) est le facteur de correction et

a(Hm) = (1.1×log(FMHz )−0.7)×Hm−(1.56×log(FMHz )−0.8)

K2 = 44.9−6.55×log(Hb)

Le modèle COST-231 HATA est utilisé pour une bande de 1.9 Ghz ou 2.1 GHz.

K1 = 46.3+33.9×log(FMHz )−13.82×log(Hb)−a(Hm)+Kc

K2 = 44.9−6.55×log(Hb)

Le modèle modifié COST-231 HATA est utilisé pour une bande de entre 2.5 et 3.5GHz.

K1 = 46.3+33.9×log(2000)+20×log(FMHz /2000)−13.82×log(Hb)−a(Hm)+Kc

K2 = 44.9−6.55×log(Hb)

Avec :

Hm est l’hauteur de l’antenne de l’équipement mobile (UE)

Hb est l’hauteur de l’antene de l’eNodeB

Le tableau suivant récapitule les valeurs des paramètres k1 et k2 du modèle Hata calculés à unefréquence 2100Mhz pour chaque environnement à partir des formules correctives citées dessus, pour unehauteur d'antenne du mobile égale à 1.5 mètre :

Chap1 :


Environnement Hauteur del’antene du

eNode-B

Hauteur del(antenne

du UE

Facteurcorrecteur

K1 pourCOST-

231 Hata

K2

Urbain dense 25m 1.5m 0dB 138.3 35.7

Urbain 30m 1.5m 3dB 134.2 35.2

Suburbain 30m 1.5m 12dB 125.1 35.2

Rural 40m 1.5m 20dB 115.4 34.4

Figure 40: Valeurs K1 et K2 du modèle de propagation HATA à 2100Mhz

l’Aire du site

La relation entre le rayon de la cellule et l’aire du site (3secteurs) est donnée par :

(3.11)

Le nombre de cellule nécessaire pour couvrir une zone est donné par :

(3.12)

Et le nombre de site nécessaire utilisant 3 secteurs est donné par :

(3.13)

Calcul du bilan de liaison

Paramètre (E) :Entrée,(C):

Calculée,(S): Sortie

La formule

Chap1 :


Le taux de donnée (E) (1)

Nombre de blocs deressourcesnécessaires

(E) (2)

Le rapportpuissance/intérférence

(C/I bB)

(E) (3)

Facteur de Bruit deeNode-B (dB)

(E) (4)

Facteur de Bruit avecTMA de eNode-B (dB)

(E) (4’)

Sensibilité de eNode-B(dBm)

(C)

Sensibilité de eNode-Bevec TMA (dBm)

(C)

Le gain de l’antenne(dBi)

(E) (6)

Les pertes du cable etdu connecteur (dB)

(E) (7)

Les pertes du cable etdu connecteur avec

TMA(dB)

(E) (7’)

Body Losses (dB) (E) (8)

Probabilité de la zonede couverturecellulaire (%)

(E) (8’)

L’ecart type globale(dB)

(E) (9)

Marge de l’effet demasque (dB)

(shadowing margin)

(E) (10)

Gain de Handoff (dB) (E) (11)

Chap1 :


Marge del’évanouissement (dB)

(fast-fading margin)

(E) (12)

Marge de pénétration(dB)

(E) (13)

Marge d’intéerférence(dB)

(C) Pour LTE (14)=3

Puissance maximaleémise par EU

(équipementutilisateur) (dBm)

(E) (15)

Gain de l’antenne duUE (dBi)

(E) (16)

MAPL sans TMA (dB) (S) (17) = - (5) + (6) - (7) - (8) -

(10) + (11) - (12) - (13) - (14)

+ (15) + (16)

Rayon de la cellulesans TMA (km)

(S)

Nbr de cellule sansTMA

(S)

MAPL avec TMA (dB) (S) (17’) = - (5’) + (6) - (7’) - (8) -

(10) + (11) - (12) - (13) - (14)

+ (15) + (16)

Rayon de la celluleavec TMA (km)

(S)

Nbr de cellule avecTMA

(S)

Chap1 :


Nbr de sites (S)

où TMA (Tower Mounted Amplifier) est un amplificateur à faible bruit, il est souventplacé à proximitéde l'antenne, de manière à minimiser les pertes.

Figure 41: TMA [9]

Le TMA est souvent utilisé dans LTE dans des zones à capacité limitée, pour renforcer la couvertureuplink et minimiser le nombre requis de sites ou pour maximiser la réutilisation des sites 2G, tout en offrantdes débits plus élevés que dans le GSM.

Essentiellement, il a deux effets sur les paramètres du bilan de liaison :

Réduire la valeur du bruit global du Node-B, cette réduction peut être évalué par application de laformule de Friis.

(3.14)

et

Chap1 :


avec:

Compenser les pertes des câbles

Les caractéristiques de TMA :

NFTMA = 2dB , GTMA = 12dB , Insertionlosses = 0.4dB , NFeNB = 2.5dB , NFcable = 3dB

et GeNB = −3dB

Chap1 :


Modélisation et conception

Processus d’automatisation de la phase de dimensionnement

Cette figure est le diagramme de navigation dans notre application

Chap1 :


Figure 42: Processus d’automatisation de la phase de dimensionnement

Chap1 :


Diagramme de cas d’utilisation

Les cas d'utilisation représentent un élément essentiel de la modélisation: Ils interviennent très tôtdans la conception, et doivent en principe permettre de concevoir, et de construire un système adapté auxbesoins de l'utilisateur. Ils servent aussi bien à définir le produit à développer, à modéliser le produit, qu'àtester le produit réalisé.

Figure 43: Diagramme de cas d’utilisation pour le dimensionnement par couverture

Chap1 :


Diagramme de séquence

Les diagrammes de séquence montrent des interactions entre les acteurs et les différentes entités. Ilspermettent de représenter le contexte d'une interaction, car on peut y préciser les états des objets quiinteragissent.

Ci-dessous le diagramme de séquence du dimensionnement par couverture.

Chap1 :


Figure 44: Diagramme de séquence pour le dimensionnement par couverture

Conclusion

Durant ce chapitre, nous avons présenté la conception de notre application "dimensionnement etimplémentation dans un réseau LTE" qui est implémentée en langage MATLAB.

Au début nous avons définit les paramètres du bilan de liaison, ensuite nous avons montré puisautomatisé les formules théoriques nécessaires au calcul de MAPL. Tout cela est dans le but de déterminer

Chap1 :


le rayon des cellules par environnement et le nombre d’eNode-B (nombre de site) nécessaire à lacouverture d'une zone d'étude.

Dans le chapitre suivant, nous allons présenter l’implémentation de notre application et interpréter lesrésultats obtenus.

Chapitre 4 : Résultats et Interprétations

Introduction

Après avoir présenté l’étude théorique et les formules pour le calcul du MAPL, le rayon de la celluleainsi que le nombre de site nécessaire (eNode-B) pour couvrir notre zone d’étude, nous présentons dans cechapitre l’implémentation de notre application ainsi que nous allons interpréter les résultats obtenus.

6800. Implémentation de l’outil

vues principales

Dans cette partie nous présentons l’automatisation des paramètres du bilan de liaison, nous avonschoisi d’implémenter notre application avec le langage MATLAB.

Chap1 :


Figure 45: Vue principale

Interfaces du dimensionnement par couverture

Dans le cas de dimensionnement par couverture, voici les différentes interfaces à remplir.

Au début, l’utilisateur doit déterminer la fréquence (en GHz), le type de l’environnement de la zone d’étude, letype de lien montant ou descendant ainsi que le choix des services.

Chap1 :


Figure 46: Fréquence, environnement et services

On choisit de travailler sur un environnement Urbain Dense et une bande fréquentiel de 2.1GHz, en cliquant surle bouton suivant, les différents paramètres du bilan de liaison nécessaires au calcul de MAPL et propres àl’environnement choisi seront téléchargés à partir d’un fichier (paramétres.xls) et puis affichés.

Chap1 :


Figure 47: première interface de dimensionnement

Chap1 :


Figure 48: deuxième interface de dimensionnement et calcule de la sensibilité

Chap1 :


Figure 49: Calcul du MAPL

Les résultat finaux, le calcul du MAPL moyenne, le rayon de la cellule, le nombre de cellule nécessaire ainsi quele nombre de site nécessaire pour couvrir la zone choisit, sont donnés dans l’interface suivante :

Chap1 :


Figure 50: Résultat de dimensionnement

Résultats et interprétations

Résultats du bilan de liaison

On choisit un exemple avec un environnement dense urbain avec le service PSA Mbps.

Paramètre Valeur La formule

Le taux de donnée (Kbps) 1000 (1)

Nombre de blocs de ressourcesnécessaires

21 (2)

Chap1 :


Le rapportpuissance/intérférence (C/I bB)

-3.3 (3)

Facteur de Bruit de eNode-B (dB) 2.5 (4)

Facteur de Bruit avec TMA deeNode-B (dB)

2.2 (4’)

Sensibilité de eNode-B (dBm) -109.025 (5) = (3) + (4) - 174 + 10 *

log(180*1000*(2))

Sensibilité de eNode-B evec TMA(dBm)

-109.325 (5’) = (3) + (4’) - 174 + 10 *

log(180*1000*(2))

Le gain de l’antenne (dBi) 18 (6)

Les pertes du cable et duconnecteur (dB)

0.4 (7)

Les pertes du cable et duconnecteur avec TMA(dB)

0.4 (7’)

Body Losses (dB) 0 (8)

Probabilité de la zone decouverture cellulaire (%)

95 (8’)

L’ecart type globale (dB) 8 (9)

Marge de l’effet de masque (dB)(shadowing margin)

8.7 (10)

Gain de Handoff (dB) 3.6 (11)

Marge de l’évanouissement (dB)

(fast-fading margin)

0 (12)

Marge de pénétration (dB) 20 (13)

Marge d’intéerférence (dB) 3 Pour LTE (14)=3

Puissance maximale émise parEU

(équipement utilisateur) (dBm)

23 (15)

Chap1 :


Gain de l’antenne du UE (dBi) 0 (16)

MAPL sans TMA (dB) 121.025 (17) = - (5) + (6) - (7) - (8) -

(10) + (11) - (12) - (13) - (14)

+ (15) + (16)

MAPL avec TMA (dB) 121.625 (17’) = - (5’) + (6) - (7’) - (8) -

(10) + (11) - (12) - (13) - (14)

+ (15) + (16)

Figure 51: Tableau du calcul du MAPL pour le service PS1Mbps

Pour les différents environnements et les différents services, les valeurs du MAPL obtenus sont résumées dans letableau suivant :

Services Dense Urbain Suburbain Urbain

Speech 12,2 (12.2Kbps)

132.24 132.24 132.24

PS64 132.03 132.03 132.03

PS128 129.67 129.67 129.67

PS384 125.71 125.71 125.71

Figure 52: Tableau du calcul du MAPL pour différents service et différents environnements

Nous calculons aussi la moyenne du MAPL pour des services différents.

Environnemnt MAPLavrege (dB)

Dense Urbain 131.288

Urbain 134.764

SubUrbain 137.743

Figure 53: Tableau du calcul du MAPLaverege(dB)

Chap1 :


Rayon de la cellule par environnement

Pour déterminer le rayon des cellules pour chaque environnement, nous utilisons la formule (3.10) avec lesparamètres de propagation suivants :

Environnemnt K1 K2

Dense Urbain 138.3 35.7

Urbain 134.2 35.2

SubUrbain 125.1 35.2

Figure 54: Paramètres de COST-HATA 231

Pour chaque environnement, les rayons des cellules sont donnés dans le tableau suivant :

Environnemnt Rayon cellule (Km)

Dense Urbain 0.64

Urbain 1.04

SubUrbain 2.28

Figure 55: Valeur des rayons

Nombre de cellule par environnement

Dans cette partie, nous devons introduire la surface de chaque environnement de la zoned’étude.Dans notre zone à couvrir, les différents environnements denses urbains, urbains et suburbains ontrespectivement les surfaces suivantes : 60Km2, 50Km2 et 40Km2.

Chap1 :


En utilisant la formule (3.11) et (3.12) pour déterminer la surface de la cellule et par suite calculer lenombre de cellule nécessaire pour couvrir chaque environnement de la zone choisit. Le tableau (4.5) illustreles résultats obtenus :

Environnement Rayon cellule(Km)

Surface cellule(km2)

Nbr cellule

Dense Urbain 0.64 0.79 76

Urbain 1.04 2.10 24

Suburbain 2.28 10.13 4

Figure 56: Le nombre de cellule pour chaque environnement

Nombre de site (eNode-B) par environnement

Nous obtenons finalement le nombre de site (eNode-B) nécessaire pour couvrir notre zone :

Environnement Dense Urbain : 25 sites

Environnement Urbain : 8 sites

Environnement Suburbain : 1 seul site

Planification

Dans cette partie, nous allons exploiter les résultats obtenus dans la partie dimensionnement. Nousavons choisit une zone de couverture avec Google MAP avec des environnements différents (urbain, denseurbain et rural) et pour chaque environnement, après avoir déterminer le nombre de sites nécessaire, nousallons placer les différents eNode-B dans notre zone en respectant le fait que deux cellules adjacentes nedoivent avoir la même bande de fréquence (La notion de réutilisation de fréquence).

Chap1 :


Figure 57: Distribution des cellules sur la zone de couverture choisie

Chap1 :


Figure 58: Répartition des fréquences

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons vue l’application que nous avons développé elle supporte la planificationet le dimensionnement, On a pue dégager à la fin de ce travail l’emplacement des NodesB dans une régiondonnée en se basant sur le calcule du MAPLE et d’autres critère.

Conclusion

Dans notre travail nous avons commencé par donner une idée générale sur les technologies utiliséesdans la télécommunication téléphonique dans le chapitre un, on a donc présenté les réseaux 1G jusqu'aux4G, dans le deuxième chapitre nous avons présenté la technologie LTE et les différentes techniques demultiplexage, d’accès, de modulation, … .On a aussi explicité dans ce même chapitre les nouveautés deLTE par rapport aux autres technologies que ce soit sur le plan architecturale ou fonctionnel. Dans letroisième chapitre nous nous sommes intéressé à l’étude théorique du dimensionnement et la planificationdes réseaux dans LTE, dans ce chapitre nous avons présenté les formule et les critères nécessaire et les

Chap1 :


pour planifier et dimensionner une région qui sera couverte par LTE .Dans le quatrième chapitre nousavons présenter l’application que nous avons développer et qui est basé sur les calcule et les formuleexplicité dans le troisième chapitre, nous avons donc conçu une application qui permet la planification et ledimensionnement dans une région donner pour la technologie LTE.

A la fin de notre travaille nous avons vue qu’on peut améliorer notre application et la faire évoluer endéveloppant certain point qui sont très intéressant à savoir :

Intégrer une base de données géographique a partir de laquelle on peut faire planification et ledimensionnement exacte avec un affichage qui est conforme à une région donnée.

On peut rajouter la planification par capacité.

Développer des mécanismes d’optimisation pour qu’à la suite de la planification et le dimensionnement onpeut optimiser les points choisie

BIBLIOGRAPHY

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[2] Alex Shneyderman and Alessio Casati. Mobile VPN delivering advanced services in next

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[3] Alex Shneyderman and Alessio Casati. Evolved Packet Systemthe LTE and SAE Evolution of 3G UMTS, chapter 2. Wiley,2008.

[4] M.Hasnaoui Omar El-hak. Mémoire de n d'étude. Faculté des sciences de l'ingénieur,

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Chap1 :


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Lucent, 2008.

[13] Award Solutions. UMTS LTE Networks, 2007.

Chap1 :


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