Sous la direction de Guy Pujolle LTE et les reseaux Yannick Bouguen Éric Hardouin François-Xavier Wolff Préface d’Alain Maloberti @ Groupe Eyrolles, 2012, ISBN : 978-2-212-12990-8 L TE, la révolutlon de Sommaire : Le conte l’introduction du L TE ors7 Sni* to View vations pour normalisation au sein du 3GPP – Les exigences définies par le 3GPP – Les bandes de fréquences pour le L TE – Les services – Les performances du L TE Ce chapitre présente, dans un premier temps, les étapes majeures du développement des réseaux mobiles, de leurs premiers pas dans les années 1970 à leurs dernières évolutions.
Ces rappels permettront de mieux ppréhender le contexte d’émergence du LTE (Long Term Evolution), qui constitue un système dit de quatrième génération. Puis, les motivations pour la définition d’une nouvelle génération de systèmes mobiles sont examinées. Cest ensuite le processus de normalisation du LTE au sein du 3GPP (3rd Generation Partnership Project) qui est décrit, ainsi que les objectifs ayant présidé à sa : on compte à fin 2011 près de 6 milliards d’abonnés à travers le monde, soit 87 % de la population mondiale [UIT, 2012].
C’est véritablement un nouveau secteur de l’industrie mondiale qui s’est créé, regroupant notamment onstructeurs de circuits électroniques, constructeurs de terminaux mobiles, constructeurs d’infrastructures de réseaux, développeurs d’applications et de services et opérateurs de réseaux mobiles. Conçues à Porigine pour offrir un service de téléphonie mobile uniquement, les technologies de communications radio mobiles ont considérablement évolué et permettent desormais une 2 L TE et les réseaux 4G connexion haut-débit en situation de mobilité.
Les réseaux mobiles complètent ainsi les réseaux d’accès résidentiels tels que x-DSL (x-Digital Subscriber Line) et FTTH (Fiber To The Home) pour l’accès haut-débit à Internet. Les utilisateurs de terminaux mobiles peuvent naviguer sur le Web, utiliser leurs applications et services préférés, consulter leurs courriels, télécharger des vidéos, de la musique, regarder la télévision, partager des photos, tout cela sur le même terminal et en mobilité. Ainsi, cette dernière n’est plus un frein à l’accès aux contenus numériques.
Dans certains pays dépourvus de réseau fixe fiable et développé, les réseaux mobiles se substituent même aux réseaux résidentiels et sont l’unique moyen d’accéder à Internet. Figure 1-10 Évolution du nombre d’ab l’ouverture commerciale du remier réseau mobile fut annoncée en 1979 au Japon. Jusque- là, l’état de l’art en matière d’électronique et de micro-ondes n’autorlsait pas l’émssion/réception radio avec un équipement portable. Les progrès majeurs réalisés dans ces domaines ont permis de réduire de manière drastique la taille des terminaux.
Le premier réseau mis en sewice était déjà basé sur le concept de motif cellulaire, concept défini au sein des Bell Labs au début des années 1970. Cette technique est une composante technologique clé des réseaux mobiles car elle permet de réutiliser les ressources du réseau d’accès radio sur plusieurs ones géographiques données appelées cellule. À une cellule est ainsi associée une ressource radio (une fréquence, un code… ) qui ne pourra être réutilisée que par une cellule située suffisamment loin afin d’éviter tout conflit intercellulaire dans l’utilisation de la ressource.
Conceptuellement, si une cellule permet d’écouler un certain nombre d’appels simultanés, le nombre total d’appels pouvant être supportés par le réseau peut être contrôlé en dimensionnant les cellules selon des tailles plus ou moins importantes. Ainsi, la taille d’une cellule située en zone urbaine est habituellement inférieure à celle ‘une cellule située en zone rurale. Les réseaux mobiles sont tous basés sur ce concept de cellule, c’est pourquoi ils sont aussi appelés réseaux cellulaires.
L TE, la révolution de l’IJMTS CHAPITRE 1 Une cellule est contrôlée PAGF a OF ur/récepteur appelé mobiles sous sa zone de couverture. La couverture d’une station de base est limitée par plusieurs facteurs, notamment : • la puissance d’émission du terminal moblle et de la station de base • la fréquence utilisée ; • le type d’antennes utilisé à la station de base et au terminal mobile ; • l’environnement de propagation (urbain, rural, etc. ) ; ?? la technologie radio employée.
Une cellule est communément représentée sous la forme d’un hexagone ; en effet, [‘hexagone est le motif géométrique le plus proche de la zone de couverture d’une cellule qui assure un maillage régulier de l’espace. Dans la réalité, il existe bien entendu des zones de recouvrement entre cellules adjacentes, qui créent de l’interférence intercellulaire. On distingue plusieurs types de cellules en fonction de leur rayon de couverture, lié à la puissance d’émission de la station de base, et de leur usage par les opérateurs. ?? Les cellules macro sont des cellules larges, dont le rayon est ompris entre quelques centaines de mètres et plusieurs kilomètres. Les cellules macro couvrent l’ensemble d’un territoire de manière régulière et forment ainsi l’ossature de la couverture d’un réseau mobile. Elles sont contrôlées par des stations de base macro dont la puissance est typiquement de 40 W (46 dBm) pour une largeur de bande de IO MHz. Leurs antennes sont placées sur des points hauts, comme des toits d’immeubles ou des pylônes. ?? Les cellules micro sont des cellules de quelques dizaines à une centaine de mètres de rayon, destinées à compléter la couverture des cellules macro dans des ones denses ou mal couv PAGF OF zones denses ou mal couvertes. Les stations de base associées sont appelées des stations de base micro et leur puissance est de l’ordre de 10 W (40 dBm). Leurs antennes sont typiquement placées sous le niveau des toits, généralement en façade de bâtiments. • Les cellules pico poursuivent le même but que les cellules micro, mais sont associées à des puissances plus faibles, de l’ordre de 0,25 à 5 W (24 à 37 dBm).
Elles peuvent notamment servir ? couvrir des hot spots, ou de grandes zones intérieures (indoor), tels que des aéroports ou des centres commerciaux. Les antennes des stations de base pico peuvent être placées comme celles des stations de base micro, ou au p afond ou contre un mur ? l’intérieur de bâtiments. • Les cellules femto sont de petites cellules d’une dizaine de mètres de rayon, principalement destinées à couvrir une habitation ou un étage de bureaux. Elles sont associees à des puissances faibles, de l’ordre d’une centaine de mW (20 dBm), et sont généralement déployées à l’intérieur des bâtlments.
Chaque station de base requiert un site radio, habituellement acquis ou loué par l’opérateur de réseaux mobiles, à l’exception des stations de base femto qui euvent être déployées par l’utilisateur. On notera que seules les cellules macro sont généralement déployées selon un motif cellulaire régulier, les autres types de cellules venant dans la plupart des cas seulement compléter localement la couverture, formant alors un réseau dit hétérogène. 4 PAGF s OF communément la trisectorisation.
Ce déploiement consiste pour une station de base à mettre en œuvre un système d’émission/réception dans trois directions distinctes appelées azimuths. Ceci s’effectue au moyen d’antennes directionnelles, chaque antenne pointant dans une direction donnée. Le schéma suivant présente une opologie commune de réseau macrocellulaire et illustre le concept de trisectorisation, chaque flèche représentant la direction de pointage d’une antenne et chaque hexagone représentant une cellule. Dans le cas de la trisectorisation, une cellule est aussi appelée un secteur.
Notons que dans la réalité, notamment en milleu urbain, les cellules ne sont pas disposées selon un motif aussi régulier et peuvent être de formes variées en fonction de la propagation locale. Figure 1-20 Topologie d’un réseau cellulaire trisectorisé à structure hexagonale L’architecture d’un réseau mobile inclut trois entités onctionnelles • le terminal mobile, appelé aussi équipement utilisateur (ou usager), abrégé en IJE (User Equipment) ; • le réseau d’accès ou RAN (Radio Access Network) ; • le réseau cœur ou CN (Core Network).
On distingue également deux domaines . • le domaine de l’UE, qui inclut les équipements propres ? l’utilisateur , • le domaine de l’infrastructure, constitué des équipements propres à l’opérateur. La figure suivante présente la structure d’un réseau mobile. L’IJE fait partie du domaine de l’équipement utilisateur et est interconnecté au réseau d’accès par l’intermédiaire de l’interface adio. L’élément d’interconnexio accès avec l’interface PAGF 6 OF l’interface radio est la station de base.
Le réseau d’accès et le réseau cœur sont rattachés au domaine de l’infrastructure et sont interconnectés par une ou plusieurs interfaces terrestres. Nous préclserons au chapitre 2 la répartition fonctionnelle entre UE, réseau d’accès et réseau cœur pour le LTE. Figure 1-30 Structure d’un réseau mobile L’histoire des réseaux mobiles est jalonnée par trois étapes principales, auxquelles on donne couramment le nom de génération. On parle des première, deuxième et troisième générations de éseaux mobiles, généralement abrégées respectivement en 1 G, 2G et 3G.
Ces trois générations diffèrent principalement par les techniques mises en œuvre pour accéder à la ressource radio. L’évolution de ces techniques est guidée par la volonté d’accroître la capacité ainsi que les débits offerts par le système dans une bande de fréquences restreinte. En effet, les fréquences sont des ressources très rares car convoitées par de multiples applications (télévision, radio, faisceaux hertziens, liaisons satellites, réseaux prlvés, communicatlons militaires, etc. ). Dans les différents pays u monde, le spectre disponible au début des années 1 980 était déjà très limité.
Aussi le développement des réseaux mobiles a été, et est toujours, principalement conditionné par la capacité des ingénieurs à tirer le meilleur arti des ressources spectrales disponibles. Initialement, I PAGF 7 OF simultanément sous couverture d’une même cellule. De nos jours, avec le développement de rusage des services de données, la capacité d’un réseau se matérialise aussi par le nombre d’utilisateurs pouvant être connectés simultanément aux seraices de données, ainsi que par e débit moyen par utilisateur lors d’une session de transfert de données. s généralement, la capacité d’un réseau peut être représentée par le débit total maximal pouvant être écoulé par une cellule fortement chargée. La liaison entre l’UE et la station de base est spécifique au sens de transmission entre ces deux entités. En effet, l’UE dispose typiquement d’une puissance d’émisslon inférieure à celle de la station de base, dantennes moins performantes et de ressources de calcul moindres, qui limitent la complexité des traitements du signal mis en œuvre. On distingue ainsi deux voies de communication . ??? la voie montante ou UL (Upl_ink), où l’UE transmet vers la station de base ; • la voie descendante ou DL (Downl_ink), où la station de base transmet vers l’UE. Un autre élément caractérisant un système mobile est la technique de séparation entre la voie montante et la voie descendante. Cette technique est aussi appelée le duplexage. Deux modes de duplexage sont possibles. • Dans le duplexage en fréquence ou mode FDD (Frequency Division Duplex), les voies montante et descendante opèrent sur des fréquences différentes. LTE et les réseaux 4G • Dans le duplexage en te PAGF BOF TDD (Time DiViSion ont séparées dans le temps. Le mode TDD requiert une synchronisation temporelle entre les stations de base, exigence parfois complexe ? garantir d’un point de vue opérationnel. Les réseaux mobiles de première génération La première génération de réseaux mobiles émerge au cours des années 1980 et est caractérisée par une multitude de technologies introduites en parallèle à travers le monde.
On peut citer les technologies suivantes : • AMPS (Advanced Mobile Phone System) aux États-Unis ; • TACS (Total Access Communication System) au Japon et au Royaume-Uni • NMT (Nordic Mobile Telephone) dans les pays scandinaves ; ?? Radiocom2000 en France , • C-NETZ en Allemagne. Ces systèmes devaient offrir un service de téléphonie en mobilité. Ils ne parvinrent pas à réellement franchir les frontières de leurs pays d’origine et aucun système ne s’imposa en tant que véritable norme internationale.
Cette hétérogénéité résultait prlncpalement des cloisonnements nationaux en vigueur à l’époque dans le domaine des télécommunications. Elle impliquait de fait l’incompatibilité des systèmes et l’impossibilité d’itinérance internationale (aussi appelée roaming). Cet échec relatif fut primordial dans la reconnaissance par les différents ays de la nécessité de définir des normes de téléphonie mobile à l’échelle internationale. D’un point de vue technique, ces systèmes étaient basés sur un codage et une modulation de type analogique.
Ils utilisaient une technique d’accès multiples appelée FDMA (Frequency Division Multiplex Access), associant une fréquence à un utilisateur. La capacité de ces systèmes demeurait très limitée, de Pordre de quel uesa els voix simulta PAGF très limitée, de Pordre de quelques appels voix simultanés par cellule. Cette contrainte de capacité, ainsi que les coûts élevés des terminaux et des tarifs de ommunication ont restreint l’utilisation de la IG à un très faible nombre d’utilisateurs (60 000 utilisateurs de Radiocom2000 en 1988 en France).
Par ailleurs, les dimensions importantes des terminaux limitaient significativement leur portabilité. Les réseaux mobiles de deuxième génération La deuxième génération de réseaux mobiles (2G) est elle aussi marquée par le nombre de systèmes ayant été définis et déployés à travers le monde. On retrouve le GSM (Global System for Mobile communications) en Europe, le PDC (Personal Digital Communications) au Japon et l’IS-95 aux États-Unis.
Ces systèmes, dans leurs versions initiales, donnaient accès au service voix en mobilité, mais aussi aux messages textes courts plus connus sous le nom de SMS (Short Message Service). En complément, ces systèmes permettaient des transferts de données à faible débit. Les progrès technologiques réalisés dans la conception de circuits hyperfréquences et de dispositifs de traitement numérique du signal permirent une réduction drastique de la taille des terminaux, autorisant une réelle mobilité. L TE, la révolution de l’UMTS 7 De ces trois systèmes, le GSM est celui qui a rencontré le plus large succès. Il fut déploy
