MEMOIRE DE FIN D’ETUDES En vue de l’obtention

N° d’ordre : 10/ IRC/ TCO Année Universitaire : 2017/2018

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

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ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

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MENTION TELECOMMUNICATION

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

En vue de l’obtention

du DIPLOME DE MASTER

Titre : Ingénieur

Domaine : Sciences de l’Ingénieur

Mention : Télécommunication

Parcours : Ingénierie en radiocommunication

Par : RAKOTOARIMALALA Fenitra Koloina Ruddy Harris

OPTIMISATION DU RESEAU LTE PAR AGREGATION DE PORTEUSES

Soutenu le 22 Mai 2019 à 7h30 devant la Commission d’Examen composée de :

Président : M. ANDRIAMIASY Zidora

Examinateurs :

M. RAKOTOMALALA Mamy Alain

Mme. RAMAFIARISONA Hajasoa Malalatiana

M. RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel

Directeur de mémoire :

M. RAVALIMINOARIMALALASON Toky Basilide

i

REMERCIEMENTS

Tout d’abord, j’aimerais remercier le Seigneur de m’avoir donné la force de mener à bien la

réalisation de ce travail.

Je tiens également à adresser mes vifs remerciements aux personnes suivantes sans qui ce travail de

mémoire n’aurait pas pu être réalisé :

Monsieur RAVELOMANANA Mamy Raoul, Professeur Titulaire, Président de l’université

d’Antananarivo ;

Monsieur RAKOTOSAONA Rijalalaina, Professeur d’Enseignement Supérieur, Responsable du

Domaine Sciences de l’Ingénieur de l’école supérieure polytechnique d’Antananarivo ;

Monsieur RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel, Maître de Conférences, responsable de la

Mention Télécommunication à l’ESPA, aussi un des membres de jury ;

Je témoigne mes profondes gratitudes à l’intention de Monsieur

RAVALIMINOARIMALALASON Toky Basilide, Docteur de l’Université d’Antananarivo, pour

ses précieux conseils, son soutien sans égal et son dévouement inestimable durant la réalisation de

ce travail de mémoire.

Je désire remercier cordialement Monsieur ANDRIAMIASY Zidora, Maître de Conférences au sein

de la mention Télécommunication, qui m’a fait l’honneur de présider ce mémoire ;

Je témoigne toute ma reconnaissance aux membres du jury qui ont voulu examiner ce travail : ;

Monsieur RAKOTOMALALA Mamy Alain, Maître de Conférences, HDR à l’ESPA;

Madame RAMAFIARISONA Hajasoa Malalatina, Maître de Conférences, HDR à l’ESPA ;

Je n’oublierai pas ma famille pour leurs soutiens bienveillants et leurs encouragements, pour ce

mémoire, comme en toutes circonstances.

Enfin, je ne saurai oublier toutes les personnes qui m’ont aidé de près ou de loin dans l’élaboration

du présent mémoire.

ii

TABLES DES MATIERES

REMERCIEMENTS ........................................................................................................................ i

TABLES DES MATIERES ............................................................................................................ ii

NOTATIONS ET ABREVIATIONS ............................................................................................. v

INTRODUCTION GENERALE ................................................................................................... 1

CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LES RESEAUX MOBILES ........................................... 2

1.1 Introduction ......................................................................................................................................... 2

1.2 Généralités sur la propagation des ondes radio ............................................................................... 2

1.2.1 Propagation en espace libre ......................................................................................................... 2

1.2.2 Propagation par trajets multiples ................................................................................................. 3

1.2.3 Principales dégradations de la propagation................................................................................. 3

1.3 Le concept cellulaire ........................................................................................................................... 3

1.3.1 Principe ......................................................................................................................................... 3

1.3.2 Motifs réguliers de cellules ........................................................................................................... 4

1.4 Les technologies de réseaux cellulaires ............................................................................................. 4

1.4.1 La première génération : 1G ........................................................................................................ 4

1.4.2 La deuxième génération (2G) ....................................................................................................... 5

1.4.3 La troisième génération (3G) ..................................................................................................... 10

1.4.4 La quatrième génération (4G) .................................................................................................... 16

1.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 16

CHAPITRE 2 LES RESEAUX LTE ET LTE-ADVANCED ................................................... 17

2.1 Introduction ....................................................................................................................................... 17

2.2 Le réseau LTE (Long Term Evolution) .......................................................................................... 17

2.2.1 Objectifs de la technologie LTE ................................................................................................. 17

2.2.2 Architecture du réseau LTE ....................................................................................................... 18

2.2.3 La couche physique .................................................................................................................... 21

2.2.4 Les protocoles radio .................................................................................................................... 27

iii

2.2.5 La structure des canaux ............................................................................................................. 30

2.2.6 La mobilité en LTE ..................................................................................................................... 34

2.3 Les évolutions apportées par la norme LTE-Advanced ................................................................ 35

2.3.1 Carrier aggregation .................................................................................................................... 35

2.3.2 Coordonated Multipoint ............................................................................................................. 36

2.3.3 Réseaux hétérogènes................................................................................................................... 37

2.3.4 Les relais ..................................................................................................................................... 38

2.4 Conclusion ......................................................................................................................................... 38

CHAPITRE 3 AGREGATION DE PORTEUSES DANS LA NORME LTE-ADVANCED. 39

3.1 Introduction ....................................................................................................................................... 39

3.2 Généralités sur la CA ........................................................................................................................ 39

3.3 Type d’agrégation de porteuses ....................................................................................................... 40

3.3.2 CA intra-bande contiguë ............................................................................................................ 40

3.3.3 CA intra-bande non contiguë ..................................................................................................... 40

3.3.4 CA inter-bande ............................................................................................................................ 40

3.4 Scénarios de déploiement ................................................................................................................. 41

3.5 Impact sur le protocole radio ........................................................................................................... 43

3.5.1 La liaison descendante................................................................................................................ 43

3.5.2 La liaison montante .................................................................................................................... 44

3.6 Gestion des ressources radio ............................................................................................................ 46

3.7 Evolution de la mobilité .................................................................................................................... 48

3.7.1 Gestion de cellules ...................................................................................................................... 48

3.7.2 Gestion de la mobilité ................................................................................................................. 50

3.8 Performance ...................................................................................................................................... 53

3.8.1 Capacités des équipements usagers (UE)................................................................................... 54

3.8.2 Débit de données ......................................................................................................................... 55

3.9 Impact de la CA sur l’UE ................................................................................................................. 56

3.9.1 Cross-Carrier Scheduling (CCS) ................................................................................................ 56

iv

3.9.2 Procédure de transfert de la capacité de l’UE via RRC ............................................................ 56

3.10 Combinaisons de bandes ................................................................................................................ 57

3.11 Conclusion ....................................................................................................................................... 60

CHAPITRE 4 ETUDE DES TYPES D’AGREGATION DE PORTEUSES ET LEURS

IMPACTS SUR LE RESEAU 4G ................................................................................................ 61

4.1 Introduction ....................................................................................................................................... 61

4.2 Présentation du travail ..................................................................................................................... 61

4.2.1 Paramétrages des cellules ........................................................................................................... 61

4.2.2 Configuration de l’UE ................................................................................................................ 62

4.2.3 Performances mesurées .............................................................................................................. 62

4.3 Simulation sous atoll ......................................................................................................................... 64

4.3.1 Une porteuse LTE de 10 MHz dans la bande 3 (1800MHz) ..................................................... 64

4.3.2 Agrégation de porteuses contiguës intra bande ......................................................................... 64

4.3.3 Agrégation de porteuses non contiguës intra-bandes ................................................................ 66

4.3.4 Agrégation de porteuses inter-bandes ........................................................................................ 67

4.3.5 Une porteuse de 20 MHz ............................................................................................................ 69

4.3.6 Agrégation de trois porteuses de 10 MHz .................................................................................. 70

4.4 Discussions ......................................................................................................................................... 71

4.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 72

CONCLUSION GENERALE ...................................................................................................... 73

ANNEXE 1 LISTE DES BANDES EUTRA ............................................................................... 74

BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................................................ 76

FICHE DE RENSEIGNEMENTS ......................................................................................................... 78

RESUME .....................................................................................................................................................

ABSTRACT .................................................................................................................................................

v

NOTATIONS ET ABREVIATIONS

1. Minuscules latines

Distance entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception

Signal OFDM

Fréquence de la sous-porteuse numéro k

2. Majuscules latines

Gain de l'antenne d'émission

Gain de l'antenne de réception

Puissance du signal émis

Puissance du signal réçu

3. Minuscule grecque

Longueur d’onde de la fréquence de travail

4. Abréviations

1G Première Génération

2G Deuxième Génération

3G Troisième Génération

3GPP Third Generation Partenarship Project

4G Quatrième Génération

AMPS Advanced Mobile Phone System

ANR Automatic Neighbour Relation

AuC Authentification Center

BCCH Broadcast Control Channel

BCH Broadcast Channel

BPSK Binary PSK

BSC Base Station Controller

BSS Base Station Subsystem

BTS Base Transceiver Station

CA Carrier Aggregation

vi

CC Component Carrier

CCCH Common Control Channel

CCS Cross Carrier Scheduling

CDMA Code Division Multiple Access

CE Control Element

CIF Carrier Indication Field

CINR Carrier to Interference Noise Ratio

CMC Connection Mobility Control

CN Core Network

CoMP Cooperative Multipoint

CP Cyclic Prefix

CQI Channel Quality Indicator

C-RNTI Cell RNTI

CS Circuit Switched

CSI Channel State Information

DCCH Dedicated Control Channel

DC-HSDPA Dual Carrier HSDPA

DCS Digital Communication System

DL Downlink

DL-SCH Downlink Shared Channel

DRA Dynamic Resource Allocation

DRB Data Radio Bearers

DS-CDMA Direct Sequence CDMA

DSP Digital Signal Processing

DTCH Dedicated Traffic Channel

EARFCN EUTRA Absolute Radio Frequency Channel Number

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EIR Equipment Identity Register

eNodeB evolved NodeB

EPC Evolved Packet Core

EPDCCH Enhanced PDCCH

EPS Evolved Packet System

vii

ETACS Extended TACS

E-UTRAN Evolved-UTRAN

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

FTP File Transfert Protocol

GGSN Gateway GPRS Support Node

GMSC Gateway MSC

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile Communications

GTP-U GPRS Tunneling Protocol User plane

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

HetNet Heterogeneous Network

HLR Home Location Register

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscriber Server

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

HTTP Hypertext Transfert Protocol

ICI Inter-Carrier Interference

ICIC Inter-cell Interference Coordination

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

IES Interférence entre Symbole

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IMT International Mobile Telecommunication

IP Internet Protocol

L1 Layer 1

L2 Layer 2

L3 Layer 3

LB Load Balancing

LTE Long Term Evolution

LTE-A LTE-Advanced

MAC Medium Access Control

viii

MCCH Multicast Control Channel

MCH Multicast Channel

MCS Modulation and Codage Scheme

ME Mobile Equipment

MIB Master Information Bloc

MIMO Multiple Input Multiple Output

MME Mobile Management Entity

MS Mobile Station

MSC Mobile Switching Center

MTCH Multicast Traffic Channel

NAS Non-Access Stratum

NSS Network SubSystem

OCC Orthogonal Cover Code

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OMC Operating and Maintenance Center

PAPR Peak to Average Power Ratio

PBCH Physical Broadcast Channel

PCEF Policy Control Enforcement Function

Pcell Primary Cell

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel

PCH Paging Channel

PCI Physical Cell Identifier

PCRF Policy and Charging Rules Function

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDCP Packet Data Convergence Protocol

PDN Packet Data Network

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PDU Protocol Data Unit

P-GW PDN Gateway

PHICH Physical HARQ Indicator Channel

PHR Power Headroom Reports

ix

PMCH Physical Multicast Channel

PMI Precoding Matrix Indicator

PRACH Physical Random Access Channel

PRB Physical Resources Blocs

PS Packet Switched

PSK Phase Shift Keying

PUCCH Physical Uplink Control Channel

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature PSK

RAB Radio Access Bearers

RAC Radio Admission Control

RACH Random Access Channel

RAT Radio Access Technology

RBC Radio Bearer Control

RE Resources Elements

RF Radio Frequency

RI Rank Indicator

RLC Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RNTI Radio Network Temporary Identifier

RRC Radio Resource Control

RRH Remote Radio Heads

RRM Radio Resource Management

RS Reference Signal

RSRP Reference Signal Received Power

RSRQ Reference Signal Received Quality

RSSI Received Signal Strength Indicator

RTC Radio Téléphonique Commuté

S1-AP S1 Application Protocol

Scell Secondary Cell

x

SC-FDE Single Carrier Frequency Domain Equalization

SC-FDMA Single Carrier FDMA

SCTP Stream Control Transmission Protocol

SDU Service Data Unit

SGSN Serving GPRS Support Node

S-GW Serving Gateway

SIM Subscriber Identity Mobile

SMS Short Message Service

SNR Signal to Noise Ratio

SON Self Optimisation Network

SRS Sounding Reference Signal

TACS Total Access Communication System

TBS Transport Bloc Size

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

TPC Transmit Power Control

TS Time Slots

TTI Transmission Time Interval

UCI Uplink Control Information

UDP User Datagram Protocol

UE User Equipment

UIT Union Internationale des Télécommunications

UIT-R Union Internationale des Télécommunications - secteur des

Radiocommunications

UL Uplink

UL-SCH Uplink Shared Channel

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

USIM UMTS SIM

UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network

VLR Visitor Location Register

VoIP Voice over IP

VoLTE Voice over LTE

xi

WCDMA Wideband-CDMA

WiFi Wireless Fidelity

WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

1

INTRODUCTION GENERALE

Le trafic mondial de données mobiles a énormément augmenté ces dernières années et cette

croissance devrait se poursuivre à l’avenir. Il y aura une demande accrue dans les réseaux mobiles

de grande capacité. Dans le même temps, il est plus rentable de fournir les services Internet sans fil,

ce qui augmentera le nombre d'utilisateurs de données mobiles [1]. Alors que les réseaux LTE (Long

Term Evolution), 3GPP release 8, ont été déployés rapidement, des solutions plus avancées sont

nécessaires. L’agrégation de porteuses (Carrier aggregation ou CA) dans LTE-Advanced est une

solution possible pour permettre aux opérateurs de gérer la croissance du trafic sur le réseau mobile

mondial. C’est une technique capable de combiner plusieurs porteuses LTE pour avoir une seule

bande large afin d’augmenter la capacité et la performance du réseau.

Les apports de la CA sur le réseau LTE est considérable surtout au niveau du débit. Cependant, ce

gain en débit varie selon le type de CA (CA contiguës intra-bande, CA non contiguës intra-bande

et CA inter-bande) et la largeur de bande après agrégation. Ce mémoire qui a pour titre :

« OPTIMISATION DU RESEAU 4G PAR AGREGATION DE PORTEUSES » a pour but

d’étudier tous ces cas et de comparer le résultat par rapport à une porteuse LTE. Il est subdivisé en

quatre chapitres.

D’abord, nous allons voir en premier chapitre les généralités sur les réseaux mobiles dont on va

regarder la propagation des ondes radio, le concept cellulaire et les technologies de réseaux mobiles

de la première génération jusqu’à la quatrième génération.

Ensuite, le deuxième chapitre parle des réseaux LTE et LTE-Advanced. Il se focalise sur les

fondements de la norme LTE comme l’objectifs, l’architecture, les canaux, les protocoles et la

mobilité, et regarder après les améliorations par la LTE-A.

Après, le troisième chapitre contient l’agrégation de porteuses dans la norme LTE-A. Sur ce, on va

aborder sur ses types, les différents scénarios de déploiement, l’impact sur le réseau LTE existant,

la gestion de la mobilité et les combinaisons de bandes selon la 3GPP.

Enfin, le quatrième chapitre étudie la raison de ce mémoire qui est l’optimisation du réseau 4G par

agrégation de porteuses. Le travail se consacre sur l’analyse de débit et CINR (Carrier to

Interference plus Noise Ratio) des trois types de CA de 20 MHz comparé à une seule porteuse LTE

de 10 MHz puis de 20 MHz. A la fin, on va faire une agrégation de trois porteuses de 10 MHz pour

mettre en évidence l’optimisation en débit de la LTE.

2

CHAPITRE 1

GENERALITES SUR LES RESEAUX MOBILES

1.1 Introduction

La téléphonie mobile est fondée sur la radiocommunication, c’est-à-dire la transmission de la voix

et des données à l’aide d’ondes radioélectriques. Avec l’augmentation considérable des utilisateurs,

les techniques utilisées ne cessent de s’améliorer pour les générations qui se suivent. Ce chapitre a

pour but d’évoquer d’abord les généralités sur les propagations de ces ondes radioélectriques puis

le principe du concept cellulaire et enfin les évolutions technologiques des réseaux cellulaires.

1.2 Généralités sur la propagation des ondes radio

Dans le domaine des réseaux sans fil, le canal caractérisant la propagation de 1'onde

électromagnétique dans 1 'espace présente une importance distinctive. Il est donc essentiel d'avoir

une connaissance des mécanismes en jeux sur le canal de propagation et de ses interactions avec

1'environnement pour pouvoir prédire les chances et les conditions d'établissement d'une liaison

radio entre l'émetteur et le récepteur.

1.2.1 Propagation en espace libre

Généralement, l'environnement de propagation a une influence sur l'onde électromagnétique émise.

En espace libre, le système de transmission est caractérisé par l'absence d'obstacles. L’atténuation

du signal peut se calculer alors par la formule de Friis [2] :

𝑃𝑒𝑃𝑟= (

4𝜋𝑑

𝜆)2 1

𝐺𝑒𝐺𝑟

Avec,

𝑃𝑒 : Puissance du signal émis

𝑃𝑟 : Puissance du signal réçu

𝐺𝑒 : Gain de l’antenne d’émission

𝐺𝑟 : Gain de l’antenne de réception

𝜆 : Longueur d’onde de la fréquence de travail

𝑑 : Distance entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception

3

1.2.2 Propagation par trajets multiples

Dans un système sans fil, l'environnement du système de transmission interfère avec l'onde

transmise selon différents mécanismes. Le récepteur peut recevoir le même signal de plusieurs

trajets différents puisque les signaux transmis peuvent se réfléchir sur une surface comme le sol, les

bâtiments ... etc. Dans la pratique, il est fréquent que deux ou plusieurs phénomènes s'appliquent

simultanément au trajet et d'un signal. Cet effet est appelé propagation par trajets multiples.

Les ondes émises lors de la communication radio subissent généralement une combinaison de divers

phénomènes : réflexion, réfraction, diffraction. Le signal reçu est une somme de tous les trajets

arrivants au récepteur et cette somme peut être constructive ou bien destructive. Les obstacles

peuvent être considérés comme un avantage ou un inconvénient. [2]

1.2.3 Principales dégradations de la propagation

Si on analyse la puissance du signal reçu en fonction de la distance entre l'émetteur et le récepteur,

on distingue trois types de variations de la puissance reçue :

1.2.3.1 Affaiblissement de parcours (path loss)

Cet affaiblissement est dû à la distance, il peut se calculer de manière déterministe ou avec un

modèle empirique lorsque 1' environnement se complique.

1.2.3.2 Les ombrages ou évanouissement lent (shadowing ou slow fading)

Ce sont des variations lentes dues aux atténuations successives produites par de gros obstacles

locaux qui causent de la diffraction.

1.2.3.3 Évanouissement rapide ou multi-trajets (fast fading ou multipathfading)

Ce sont des variations rapides causé par les trajets dues à l’addition constructive ou destructive des

signaux qui ne peut être déterministe. [2]

1.3 Le concept cellulaire

1.3.1 Principe

L’objectif d’un système de radiotéléphonie est de permettre l’accès au réseau téléphonique à partir

d’un terminal mobile sur une zone étendue. A priori il est nécessaire d’utiliser une puissance

importante d’émission pour assurer la liaison radio.

4

Pour limiter cette puissance, la solution cellulaire consiste à repartir un ensemble de station de base

(émetteurs-récepteurs) sur le territoire à couvrir de telle sorte que le terminal soit toujours à moins

de quelques kilomètres de l’une d’entre elles. La surface couverte par une station de base est appelée

cellule.

1.3.2 Motifs réguliers de cellules

Pour éviter les interférences entre cellules voisines, il faut réaliser un découpage de la bande de

fréquences allouée au système et leur affecter des fréquences différentes.

Mais puisque le spectre radio est limité, il faut réutiliser les mêmes ressources pour certaines

cellules. Un motif est donc le plus petit groupe contenant l’ensemble des ressources une et une seule

fois. Plus le motif est grand, plus la distance de réutilisation est grande. [3]

Figure 1.01 : Un motif à 7 cellules

1.4 Les technologies de réseaux cellulaires

Depuis l’apparition de la première génération du réseau cellulaire, on connait quatre générations qui

se différencient par l’amélioration des techniques utilisées afin de faire évoluer les services offerts

et de garantir une bonne qualité de service.

1.4.1 La première génération : 1G

La première génération de réseau : la 1G a été le début d’une grande révolution dans le monde de la

téléphonie. Celle-ci possédait un fonctionnement analogique et était composée de nombreux

appareils volumineux.

5

Apparu en 1976 aux États-Unis, l’AMPS (Advanced Mobile Phone System) constitue le premier

standard réseau cellulaire utilisé principalement en Outre-Atlantique, en Russie ainsi qu’en Asie. Il

était facile de pirater ce système puisqu’il possédait de faibles mécanismes de sécurité rendant le

piratage des lignes téléphoniques plus propices.

La TACS (Total Access Communication System) est la version européenne du modèle AMPS cité

ci-dessus. Ayant une bande de fréquence plus performante (900MHz), ce système fut plus utilisé

notamment en Angleterre, puis en Asie (Hong-Kong et Japon) par la suite.

Par la suite en 1983, ETACS (Extended Total Access Communication System) est une version

améliorée du standard TACS et donc AMPS développé au Royaume-Uni utilisant un nombre plus

important de canaux de communication.

Les réseaux cellulaires de première génération ont été rendus obsolètes avec l’apparition d’une

seconde génération entièrement numérique.

L’hétérogénéité des réseaux de première génération impliquait l’incompatibilité des systèmes et

l’impossibilité d’itinérance internationale. Cela conduisait à l’instauration d’une norme

internationale d’où la naissance des réseaux de deuxième génération. [4] [5]

1.4.2 La deuxième génération (2G)

Le marché des services mobiles a commencé à se développer au début des années 1990 par

l’exploitation de réseaux de deuxième génération (2G), basés sur la norme GSM (Global System

for Mobile Communications). La téléphonie en mobilité en constituait le principal service, même si

les messages courts « SMS » sont rapidement apparus comme un usage essentiel aux

consommateurs.

Ces réseaux 2G ont progressivement connu des évolutions, parmi lesquelles l’introduction des

technologies GPRS puis EDGE, qui ont ouvert la voie à des services multimédia mobiles. Dès le

début des années 2000, l’accès mobile à des services en ligne était ainsi possible sur des réseaux

2G, à des débits atteignant jusqu’à plusieurs dizaines voire plus d’une centaine de kbit/s.

1.4.2.1 Global System for Mobile communication (GSM)

a. Présentation du réseau GSM

Dans le réseau GSM, les différents utilisateurs communiquent à tour de rôle, ils ont donc un slot de

temps réservé: c’est la technique FDMA (Frequence Division Multiple Access). De plus, les

utilisateurs communiquent non pas sur une fréquence fixe, mais sur plusieurs fréquences car le GSM

6

dispose de 124 fréquences porteuses de 200 kHz chacune, totalisant une bande de 25 MHz. À chaque

slot correspond une fréquence : c’est la technique de saut de fréquences, pour limiter les erreurs de

transmission ou la technique TDMA (Time Division Multiple Access).

Les bandes occupées par le GSM sont 890 et 915 MHz pour la voie montante, et 935 et 960 MHz

pour la voie descendante. La liaison est donc full-duplex, car les deux communications peuvent se

faire au même instant sur deux bandes de fréquences distinctes. On a donc porté la technologie GSM

900 MHz vers une bande ouverte à plus haute fréquence. C'est le système DCS-1800 (Digital

Communication System) dont les caractéristiques sont quasi identiques au GSM en termes de

protocoles et de service. Les communications montantes se faisant alors entre 1710 et 1785MHz et

les communications descendantes entre 1805 et 1880 MHz.

b. Architecture du réseau GSM

Le rôle d’un réseau de radiotéléphonie est de permettre des communications entre abonnés mobiles

et abonnés RTC (Radio Téléphonique Commuté), le réseau GSM propose des communications avec

un accès spécifique « les liaisons radio ». Pour cela, son architecture est subdivisée en trois sous-

systèmes : le sous-système radio, le sous-système réseau ou encore sous-système d’acheminement

et le sous-système d’exploitation et de maintenance.

Figure 1.02 : Architecture d’un réseau GSM

7

Le sous-système radio (BSS)

Le réseau d’accès permet aux équipements mobiles d’accéder aux ressources radio et joue le rôle

de relai entre les équipements usagers et le réseau cœur. Il est constitué de :

Station de base

La station de base ou BTS (Base Transceiver Station) est l'élément central, que l'on pourrait définir

comme un ensemble émetteur/récepteur pilotant une ou plusieurs cellules. Elle met les ressources

radio à la disposition de l’UE et la communication se fait par l’interface Um.

Contrôleur de station de base :

Le contrôleur de station de base ou BSC (Base Station Controler) gère une ou plusieurs stations de

base et communique avec elles par le biais de l'interface A-bis.

Le sous-système réseau (NSS)

Le réseau cœur regroupe l’ensemble des équipements assurant les fonctions telles que

l’enregistrement de l’UE au réseau et la mise à jour de sa localisation, le contrôle des appels, le

contrôle de la sécurité et la gestion de l’interface avec les réseaux externes. Il est constitué de :

Centre de commutation mobile :

Le centre de commutation mobile ou MSC est relié au sous-système réseau via l’interface A. Son

rôle principal est d’assurer la communication entre les abonnés du réseau mobile et ceux du réseau

public commuté. Des MSC servant de passerelle, GMSC (Gateway Mobile Switching Center), sont

placées en périphérie du réseau d'un opérateur de manière à assurer une interopérabilité entre

réseaux d'opérateurs.

L’enregistreur de localisation nominale ou HLR :

Le HLR est une base de données contenant les informations sur les abonnés appartenant à la région

desservie par le MSC. Cette base de données contient également la position courante de ces abonnés.

L’enregistreur de localisation des abonnés visiteurs ou VLR :

Le VLR contient temporairement des informations sur les abonnés qui visitent une région desservie

par un MSC autre que celui auquel ils sont abonnés. Ces informations proviennent du HLR auquel

l’abonné est enregistré et indiquent les services auxquels l’abonné a droit. Ce transfert

d’informations ne se fait qu’une seule fois et n’est effacé que lorsque l’abonné ferme son appareil

ou quitte la région du MSC courant. Il est à noter que le VLR est toujours associé à un MSC.

Le centre d’authentification ou AuC :

L’AuC est une base de données protégée qui contient une copie de la clé secrète inscrite sur la SIM

8

(Subscriber Identity Module) de chaque abonné. Cette clé est utilisée pour vérifier l’authentification

de l’abonné et pour le chiffrement des données envoyées.

L’enregistreur d’identité d’équipement ou EIR :

L’EIR contient la liste de tous les terminaux valides. Une consultation de ce registre permet de

refuser l’accès au réseau à un terminal qui a été déclaré perdu ou volé.

Le centre d’exploitation et de maintenance ou OMC :

Cette partie du réseau regroupe trois activités principales de gestion : la gestion administrative, la

gestion commerciale et la gestion technique. Il assure la gestion et la supervision du réseau sur des

nombreux niveaux tels que la détection de pannes, la mise en service des sites et la modification de

paramétrage.

c. Les canaux dans les réseaux GSM

Il existe deux types de canaux pour la norme GSM : physiques et logiques.

Les canaux physiques

Par le FDMA, la bande de fréquence est divisée en plusieurs canaux physiques: 124 canaux de

200KHz chacun pour chaque liaison, montante et descendante. La liaison montante est réservée à

l’émission de la MS (Mobile Station) et la liaison descendante pour la réception. Le canal duplex

est le couple de canaux utilisés par la MS lors d’une communication. Ces deux canaux sont toujours

espacés de 45 MHz.

Les canaux logiques

Par le TDMA, chaque canal physique donc chaque porteuse se divise en 8 intervalles de temps

appelés Time Slots (TS) de 577μs chacune. Pour maximiser le nombre de communications

simultanées supportées par une BTS (Base Transceiver Station), on alloue à chaque mobile un slot

pour communiquer. Il a donc accès à son relais qui est discontinue dans le temps, mais régulier afin

de permettre aux autres mobiles de communiquer sur la même porteuse.

Toutefois, le système GSM présentait plusieurs limites comme les rejets d’appels aux heures les

plus chargées et aussi la latence de l’accès aux services de données dû à l’utilisation du réseau cœur

à commutation de circuit. C’est l’un des principales causes de l’apparition du réseau cœur GPRS

(General Packet Radio Service).

d. Technique de duplexage

Le réseau GSM utilise un duplexage en fréquence : FDD (Frequency Division Duplex).

9

La bande totale allouée au système est séparée en deux sous-bandes d’égale importance (séparées

par un intervalle fréquentiel non utilisé par le système) : une sous-bande pour la voie montante et

une autre sous-bande pour la voie descendante.

L’écart entre les fréquences utilisées sur chaque voie lors d’une communication est constant et

appelé écart duplex. Sa valeur est de 45MHz dans la bande GSM et 95MHz dans la bande DCS.

1.4.2.2 General Packet Radio Service (GPRS)

Le GPRS est un service supplémentaire rajouté au réseau GSM existant, qui permet la transmission

des données par paquet avec un débit élevé. Le GPRS est une technologie greffée sur l’infrastructure

GSM. Utilisant le réseau d’accès de ce dernier, il se sert de la même fréquence 900/1800/1900MHz,

seul l’architecture est sensiblement modifié.

L’objectif du GPRS est d’apporter un service support de commutation de paquets sur l’interface

radio ainsi qu’un accès à des réseaux de données externes.

L’architecture fonctionnelle simplifiée d’un réseau GPRS est présentée sur la figure 1.02 :

Figure 1.03 : Architecture fonctionnelle d’un réseau GPRS

Le GPRS introduit deux nouvelles entités fonctionnelles dans le réseau cœur : le SGSN (Service

GPRS Support Node) et le GGSN (Gateway GPRS Support Node).

Serving GPRS Support Node (SGSN)

Le SGSN est relié au BSS du réseau GSM. Il est en connexion avec l'ensemble des éléments qui

assurent et gèrent les transmissions radio : BTS, BSC, HLR. Le SGSN joue un rôle de routeur, il

gère les terminaux GPRS présents dans une zone donnée.

10

Gateway GPRS Support Node (GGSN)

Il est relié à un ou plusieurs réseaux de données (Internet, autre réseau GPRS, etc). Le GGSN est un

routeur qui permet de gérer les transmissions de paquets de données : paquets entrants d'un réseau

externe, acheminant vers le SGSN du destinataire et paquets sortants vers un réseau externe,

provenant d'un destinataire interne au réseau.

1.4.2.3 Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE)

La technologie EDGE est issue de la constatation que, dans un système cellulaire, tous les mobiles

ne disposent pas de la même qualité de transmission. En réalité, la technologie fait correspondre à

chaque condition radio rencontrée le schéma de modulation et de codage, ou MCS (Modulation and

Codage Scheme), le plus approprié en regard de la qualité de service requise sur la liaison. Elle a

permis un débit théorique de 384 kbps. La modulation utilisée est la modulation linéaire à huit états

(3 bits par symbole) ou 8-PSK (Phase Shift Keying). L’architecture du réseau EDGE se repose en

général sur une architecture GPRS existant mais il existe tout de même des modifications au niveau

des entités du réseau d’accès pour supporter les nouvelles techniques utilisées [4].

1.4.3 La troisième génération (3G)

L’évolution des services mobiles vers des accès haut débit à l’internet mobile s’est engagée depuis

le début des années 2000 par l’autorisation d’opérateurs de réseaux mobiles de troisième génération

(3G), à la norme UMTS. L’utilisation des réseaux 3G est désormais largement répandue,

accompagnée d’une augmentation constante de la diversité des services disponibles sur les mobiles

et des performances des évolutions successives de l’UMTS. Ainsi la technologie HSPA permet à

présent l’accès à des débits pics pouvant dépasser la dizaine de Mbit/s.

1.4.3.1 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)

C’est l'une des technologies de téléphonie mobile de troisième génération la 3G. Elle est basée sur

la technologie W-CDMA, standardisée par le 3GPP et constitue l'implémentation dominante,

d'origine européenne, des spécifications IMT-2000 de l'UIT pour les systèmes radio cellulaires 3G.

Elle utilise la bande fréquence de 1900 à 2200 MHz avec une largeur de bande de 5MHz.

Cette technologie permet de faire transiter davantage de données simultanément et offre un débit

bien supérieur à ceux permis par les réseaux GSM et GPRS. L'UMTS présente des avantages qui

s'appliquent autant aux communications vocales qu'aux transferts de données. Le débit cinq à dix

11

fois plus rapide laisse apparaître le développement de nouvelles applications (visiophonie, internet

sur mobile, télévision à la demande…).

Les débits UMTS varient suivant le lieu d'utilisation et la vitesse de déplacement de l'utilisateur.

Pour la première génération de l'UMTS, les débits maximum descendants étaient de : 144 kb/s pour

une utilisation mobile en mouvement rapide et en zones rurales loin de l'antenne ; 384 kb/s pour une

utilisation piétonne; jusqu’à 2 000 kb/s depuis un point fixe et dans des conditions idéales.

a. Architecture d’un réseau UMTS

L'architecture générale d'un réseau UMTS est composée de trois domaines:

L'équipement usager : UE

Le terminal utilisateur (UE) est composé des deux parties suivantes :

· Le terminal mobile (ME ou Mobile Equipment) correspond au terminal radio utilisé pour les

communications radio sur l'interface Uu.

· La carte USIM (UMTS Subscriber Identity Module) est une carte à puce qui stocke l'identité de

l'abonné, les algorithmes et les clefs d'authentification, les clefs de chiffrement ainsi que certaines

données relatives à l'abonnement de l'utilisateur qui sont nécessaires au niveau du terminal.

Le réseau d'accès : UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network)

- Le Node B est un relais radio électrique qui assure la couverture d'une cellule pour les terminaux

UMTS. Il convertit le flux de données entre les interfaces Iub et Uu et participe à la gestion des

ressources radio. Notons que le terme «Node B» provient des spécifications du 3GPP et est

équivalent au terme «station de base» que nous avons utilisé précédemment.

- Le RNC (Radio Network Controller) gère les ressources radio de la zone dont il a le contrôle, c'est-

à-dire les ressources de la zone de couverture de tous les Node B auxquels il est rattaché. Il assure

la mobilité des usagers et la concentration du trafic. Le RNC est le point d'accès pour tous les

services fournis par l'UTRAN au réseau cœur.

Le réseau cœur : CN (Core Network).

Il assure l’interfaçage avec d’autres réseaux fixes ou mobiles tels que RTC, réseaux Internet, GSM.

Les fonctionnalités principales caractérisant cette entité sont la commutation, le routage des données

ainsi que la signalisation entre terminaux mobiles et les réseaux distants via l’interface radio.

Il se décompose en deux domaines :

12

- le domaine circuit (CS Circuit Switched) permet de gérer les services temps réels. Ces services

nécessitent un temps de transfert réduit tel que la conversation téléphonique et la vidéo téléphonique.

Le CS est composé du MSC, le GMSC et le VLR ;

- le domaine paquet (PS Packet Switched) permet de gérer les services non temps réels. Ces services

correspondent à la navigation sur Internet, les jeux mobiles et les courriers électroniques. Le PS est

composé du GGSN, le SGSN.

Ces trois domaines réalisent des opérations spécifiques et sont séparés par des points de référence

Uu et Iu qui jouent le rôle d'interface, c'est-à-dire une limite commune à deux systèmes permettant

des échanges entre eux.

Figure 1.04 : Architecture simplifiée d’un réseau UMTS

b. Technique d’accès en UMTS

L’UMTS utilise aussi la technologie W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access) [6].

Cette dernière est un système d’accès multiple à répartition de codes, à séquence directe et à large

bande (Direct Sequence Code Division Multiple Access ou DS-CDMA) basée sur la technique

CDMA.

La technique CDMA est une technique d'accès multiple grâce à laquelle les différents utilisateurs

peuvent communiquer en même temps dans une même bande de fréquences. Les transmissions sont

ainsi numérisées, dites à étalement de spectre.

c. Le mode de transmission dans le réseau UMTS

Le réseau cœur de l’UMTS se décompose en deux parties : le mode circuit dans un premier temps

et le mode paquet.

13

Le mode circuit

Le mode circuit permettra de gérer les services temps réels dédiés aux conversations téléphoniques

(vidéo-téléphonie, jeux vidéo, application multimédia). Ces applications nécessitent un temps de

transfert rapide. Lors de l’introduction de l’UMTS le débit du mode circuit sera de 384 Kbits/s.

L’infrastructure s’appuiera alors sur les principaux éléments du réseau GSM : MSC/VLR (bases

données existantes) et le GMSC afin d’avoir une connexion directe vers le réseau externe.

Le mode paquet

Le mode paquet permet de gérer les services non temps réels. Il s’agit principalement de la

navigation sur l’internet, et de l’accès/utilisation des e-mails. Ces applications sont moins sensibles

au temps de transfert, c’est la raison pour laquelle les données transiteront en mode paquet. Le débit

du mode paquet sera sept fois plus rapide que le mode circuit, environ 2Mbits/s. L’infrastructure

s’appuiera alors sur les principaux éléments du réseau GPRS : SGSN (bases de données existantes

en mode paquet GPRS, équivalent des MSC/VLR en GSM) et le GGSN (équivalent du GMSC en

GSM) qui jouera le rôle de commutateur vers le réseau internet et les autres réseaux publics ou

privés de transmission de données.

1.4.3.2 High Speed Packet Access (HSPA)

Il concerne le passage d’une commutation de circuit sur l’interface radio à une commutation par

paquet où la station de base décide dynamiquement le partage des ressources entres les terminaux

disponibles. En plus, il y a l’introduction de la modulation 16QAM (Quadrature Amplitude

Modulation) en voie descendante offrant un débit jusqu’à 14,4Mbit/s et la modulation QPSK

(Quadrature Phase Shift Keying) en voie montante offrant un débit jusqu’à 5,8Mbit/s. Il existe deux

variantes du HSPA tels que le HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) et le HSUPA (High

Speed Uplink Packet Access).

1.4.3.3 High Speed Packet Access + (HSPA+)

Il y a l’introduction de la modulation 64QAM en voie descendante et la modulation 16QAM en voie

montante. Une cellule pouvait aussi transmettre des données à un utilisateur sur deux porteuses

simultanément en voie descendante, à l’aide de la fonctionnalité DC-HSDPA (Dual Carrier – High

Speed Downlink Packet Access) et permettant un débit théorique de 21Mbit/s en téléchargement,

soit 42 Mbit/s en DC et jusqu’à 84Mbit/s en mode DC+MIMO 2×2; 11,5 Mbit/s en liaison montante

avec des terminaux compatible [4].

14

1.4.3.4 L’agrégation de porteuse dans HSPA+

La technologie DC-HSDPA (Dual Carrier HSDPA) est une fonctionnalité 3GPP Release-8 et est

déjà une réalité dans de nombreux déploiements commerciaux dans le monde. La DC-HSDPA est

limitée à 2 porteuses adjacentes de 5 MHz. Dans la release 9, la limitation de la porteuse adjacente

est dépassée, afin de fournir une opération HSDPA à double bande avec des bandes de fréquence

séparées avec MIMO. La liaison montante est également prise en compte et la technologie HSPA à

double porteuse (dual carrier) est introduite.

Dans la version suivante, le cadre élaboré au cours des précédentes phases de normalisation multi-

porteuse dans le 3GPP est réutilisé pour fournir un HSDPA à 4 porteuses dans la release 10 sur deux

bandes de fréquences distinctes.

Une étape de la release 11 consiste à prendre en charge jusqu’à 8 porteuses HSDPA agrégeant

jusqu’à 40 MHz de spectre, ce qui est conforme aux exigences de l’UIT en matière de 4G / IMT-

Advanced. La release 11 apporte également l'agrégation de porteuses non adjacentes sur la même

bande de fréquences. [7]

Le débit crête fourni par chaque évolution est considérablement amélioré. L'agrégation de porteuses

est l'une des rares fonctionnalités à fournir une amélioration aussi nette de la capacité du réseau.

Comme le montre la figure 1.06, à partir d’un débit de pointe théorique de liaison descendante dans

la release 7 de 28 Mbps, chaque release double ce pic, pour atteindre dans la release 11 un débit de

336 Mbps avec MIMO 2x2 et un débit de 672 Mbps avec MIMO 4x4.

L'évolution de la technologie HSPA pousse les débits de données de pointe vers les performances

LTE Advanced, permettant à cette technologie mature de poursuivre sa vie pendant le déploiement

de la technologie LTE. Cependant, la complexité de l’UE et la consommation d’énergie liée à la

multi-porteuse dans W-CDMA pourraient ralentir l’adoption de nouvelles versions.

15

Figure 1.05 : Evolution de l’agrégation de porteuses en HSPA

Figure 1.06 : Evolution de débits en HSPA avec agrégation de porteuses

16

1.4.4 La quatrième génération (4G)

La technologie LTE (Long Term Evolution) ou la 4G s'appuie sur un réseau de transport à

commutation de paquet IP. Elle n’a pas prévu de mode d'acheminement pour la voix, autre que la

VoIP (Voice over IP), contrairement à la 3G qui transporte la voix en mode circuit.

Le LTE utilise des bandes de fréquences hertziennes d’une largeur pouvant varier de1,4 MHz à 20

MHz, permettant ainsi d'obtenir (pour une bande 20 MHz) un débit binaire théorique de300 Mbit/s

en « downlink », alors que la "vraie 4G" offre un débit descendant atteignant 1 Gbit/s.

Comme technique de modulation, le multiplexage OFDMA (Orthogonal Frequency Division

Multiple Access) apporte une optimisation dans l’utilisation des fréquences en minimisant les

interférences. Le recours à des techniques d’antennes multiples permet de multiplier les canaux de

communication parallèles, ce qui augmente le débit total et la portée.

1.5 Conclusion

Ce premier chapitre nous a permis de connaitre le but du concept cellulaire et ses évolutions, ainsi

que quelques bases nécessaires sur les ondes radio. Plusieurs services ont été introduits au fur et à

mesure que la technologie évolue. Avec l’accroissement sans cesse des besoins des utilisateurs, la

technologie LTE a vu le jour et peu après son amélioration LTE-Advanced. Le chapitre suivant va

détailler ces deux technologies.

17

CHAPITRE 2

LES RESEAUX LTE ET LTE-ADVANCED

2.1 Introduction

L’architecture du système et les fonctionnalités de base des réseaux LTE et LTE-Advanced sont

présentées dans ce chapitre. A propos de la LTE, les objectifs de la conception sont donnés dans la

première partie. La partie suivante couvre son architecture et décrit les éléments du réseau. Avant

de présenter les protocoles radio et la structure des canaux, la couche physique en LTE sera traitée.

Enfin, le concept de mobilité est abordé dans la dernière partie. Concernant la LTE-Advanced, on

va regarder chacun de ces fonctionnalités. L’agrégation de porteuse, les réseaux hétérogènes, la

« coordination multipoint », les relais et l’améliorant sur la technologie MIMO utilisée sont abordés

un à un.

2.2 Le réseau LTE (Long Term Evolution)

LTE est une technologie définie dans la Release 8 pour améliorer et optimiser UTRAN, de ce fait

elle est aussi appelée E-UTRAN (Evolved-UTRAN). C’est une technologie 3,9G, mais elle est

présentée commercialement comme la 4G du fait de l’abandon du CDMA et de la forte montée en

débit par rapport à la 3G.

2.2.1 Objectifs de la technologie LTE

En termes de performances radio, LTE vise plusieurs objectifs, comme l’augmentation des débits

pics de 100Mbps en voie descendante sur une bande de 20MHz et de 50Mbps en voie montante. De

plus, il y a une amélioration de l’efficacité spectrale de 3 à 4 fois supérieure à HSDPA (14Mbps sur

5 MHz) et de 2 à 3 fois supérieure à HSUPA (5,8 Mbps sur 5 MHz).

Pour la mobilité, les performances maximales de la LTE sont trouvées pour une vitesse inférieure à

15 km/h, mais on peut avoir des bonnes performances entre 15 et 120 km/h et la connexion est

toujours maintenue jusqu’à une vitesse de 350 km/h.

Concernant la couverture radio, les performances maximales sont atteintes sur une distance entre

5km mais le rayon de la cellule peut aller jusqu’à 30km.

Parmi les solutions mises en œuvre pour atteindre ces objectifs, la norme LTE introduit deux

nouvelles techniques de transmission pour assurer les échanges sur l’interface air. Ces techniques

18

sont l’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) en voie descendante et le SC-

FDMA en voie montante. [8]

2.2.2 Architecture du réseau LTE

L’architecture générale d’un système LTE est repartie en trois domaines : l’équipement utilisateur

UE (User Equipment), le réseau d’accès E-UTRAN (Evolved-UMTS Terrestrial Access Network)

et le réseau cœur EPC (Evolved Packet Core) [9]. La figure 2.01 illustre cette architecture.

La combinaison de l’E-UTRAN et l’EPC forme l’EPS (Evolved Packet System).

Figure 2.01 : Architecture d’un réseau LTE

2.2.2.1 Le réseau cœur EPC (Evolved Packet Core)

Le cœur de réseau appelé « EPC » utilise des technologies « full IP », c’est-à-dire basées sur les

protocoles Internet pour la signalisation qui permet des temps de latence réduits, le transport de la

voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les autres

eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le

réseau Internet.

EPC simplifie le réseau d’architecture à tout IP, comme il assure la mobilité entre l’accès radio

3GPP, et aussi non 3GPP par exemple WIMAX et CDMA2000.

a. Mobile Management Entity : MME

Le MME gère la signalisation entre l’UE et le réseau cœur, responsable de la gestion des liaisons

entre un UE et un nœud logique du réseau cœur, gère aussi la sécurité entre le réseau et l’UE.

19

b. Serving Gateway: S-GW

Tous les paquets IP à destination d’un utilisateur sont transférés à travers le S-GW. Elle joue aussi

quelques fonctions annexes au sein du réseau visité dans le contexte de roaming, telles que l’envoi

d’informations pour la facturation.

c. Packet data network Gateway: P-GW

La PDN-GW a pour rôle principale d’allouer une adresse IP à l’UE. Elle supporte la fonction Deep

Packet Inspection qui analyse les paquets du plan usager, identifie la nature des flux, applique les

règles prédéfinies pour tous les clients en fonction de l’offre de service souscrite. Par ailleurs, elle

permet la facturation par flux de données, conformément aux règles définies par le PCRF (Policy

and Charging Rules Function). Enfin, la PDN-GW sert de point d’ancrage pour

l’interfonctionnement avec d’autres technologies d’accès non 3GPP telles que CDMA2000 et

WiMAX.

d. Home Subscriber Server: HSS

Le HSS contient les informations de souscription de l’utilisateur telles que le profil de QoS (Quality

of Service) de l’abonné ou de restriction d’accès en itinérance. Il contient également les informations

concernant les réseaux de données ou PDN (Packet Data Network) auxquels l’utilisateur peut se

connecter. Par ailleurs, le HSS supporte des informations dynamiques telles que l’identité du MME

auquel l’utilisateur est actuellement attaché. Il peut aussi intégrer le centre d’authentification AuC

qui permet l’authentification des abonnés et fourni les clés de chiffrement nécessaires.

e. Policy and Charging Rules Function: PCRF

Le PCRF est un nœud optionnel au sein de l’architecture EPC. Toutefois, il permet d’appliquer des

règles de gestions évoluées sur le trafic et la facturation de l’utilisateur en fonction de son offre.

Pour mettre en œuvre ces règles, il communique avec le PCEF (Policy Control Enforcement

Function), fonction intégrée à la P-GW. Le PCRF peut également indiquer lors de l’établissement

d’une session ou en cours d’une session les caractéristiques de la qualité de service à appliquer par

le PCEF.

20

2.2.2.2 Le réseau d’accès E-UTRAN

Il est composé d’un seul élément, c’est l’eNodeB. L’eNodeB est responsable de la transmission et

de la réception radio avec l’UE. L’eNodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur qui se

divise en S1-MME entre l’eNodeB et la MME (Mobile Management Entity) et S1-U (S1-Usager)

entre l’eNodeB et la SGW (Serving GateWay). Une nouvelle interface X2 a été définie entre les

eNodeBs adjacents. Son rôle est de minimiser la perte de paquets lors de la mobilité de l’usager en

mode actif (Handover).

2.2.2.3 L’équipement usager : UE

La mise en œuvre du LTE nécessite de nouveaux équipements de réseaux, comme de nouveaux

terminaux compatibles avec cette nouvelle technologie. Les équipements usagers compatible LTE

sont des équipements travaillant sur le domaine IP. Ces équipements sont reliés avec la station de

base par l’intermédiaire de l’interface Uu sur le lien radio.

Il existe 5 catégories d’UE qui se différencient par les modulations supportées, le nombre de couche

spatiale permise et les débits maximums que ces équipements peuvent atteindre. Le tableau 2.01

montre les différences entre les catégories d’UE [10].

Catégorie

d’UE

Débit crête (Mbit/s) Modulations Nombre

d’antenne

Rx

Nombre

maximal de

couches

spatiales en

DL

DL UL DL UL

1 10 5 QPSK

16QAM

64QAM

QPSK

16QAM

2 1

2 50 25 2 2

3 100 50 2 2

4 150 50 2 2

5 300 75 QPSK

16QAM

64QAM

4 4

Tableau 2.01: Caractéristiques des catégories d’UE LTE

21

2.2.3 La couche physique

Le principe de base de la couche physique LTE est que les ressources sont partagées de manière

dynamique entre les utilisateurs. Aucun utilisateur ne reçoit de ressources dédiées. Le principe est

comparable à celui de l’Internet et des réseaux à commutation de paquets en général. Il existe

diverses techniques permettant à plusieurs utilisateurs d’accéder simultanément au système radio.

La méthode d'accès multiple LTE diffère des générations 3GPP antérieures. L'accès multiple de

liaison descendante dans LTE est basé sur l’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple

Access) et l'accès multiple par liaison montante est basé sur le SC-FDMA (Single Carrier Frequency

Division Multiple Access).

2.2.3.1 Transmission OFDM et la technique d’accès OFDMA

L’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est la technique la plus appropriée pour

faire passer des débits élevés dans un canal sélectif en fréquence, ce qui explique son utilisation

dans un grand nombre de technologies actuelles, dont la norme LTE [8].

a. Principe de l’OFDM

La technique OFDM consiste à transmettre un flux de données en parallèle sur plusieurs porteuses

orthogonales selon le principe suivant :

Soit un flux de symboles Xk issu du codage d’un flux binaire délivré par une source d’informations.

Suivant le nombre de bits regroupés ensemble, les symboles Xk peuvent être de type BPSK, QPSK,

QAM16, QAM64, … La durée symbole est Tx donc le débit symbole est 1/Tx. La technique OFDM

consiste à multiplexer ce flux de symboles en N flux de débit plus faible donc de durée symbole

plus grande. Sur chaque branche du convertisseur série-parallèle, les symboles sont allongés et leur

débit vaut N.Tx. Les N flux parallèles modulent chacun une porteuse, de f0 à fN-1. Ces porteuses ont

la particularité d’être orthogonales entre elles. La somme des N porteuses modulées forme le signal

OFDM de durée N.Tx. Il est intéressant de noter que l’enveloppe du signal OFDM présente de fortes

variations. En effet, suivant les instants, l’addition des N sinusoïdes peut se faire en phase, ce qui

génère des pics, ou en opposition de phase, ce qui donne des valeurs proches de zéro.

Il est à noter que deux porteuses sont orthogonales si et seulement si le produit scalaire entre les

deux porteuses est nul.

22

b. Emetteur OFDM

Par construction, le signal OFDM s’écrit en bande de base :

𝑥(𝑡) = ∑ 𝑋𝑘𝑒𝑗2𝜋𝑓𝑘𝑡

𝑁−1

𝑘=0

Avec :

𝑓𝑘 = 𝑘∆𝑓 =𝑘

𝑁𝑇𝑥

Sous forme discrète (t=nTx), le signal OFDM s’écrit :

𝑥(𝑛𝑇𝑥) = ∑ 𝑋𝑘𝑒𝑗2𝜋

𝑘

𝑁𝑇𝑥𝑛𝑇𝑥

𝑁−1

𝑘=0

= ∑ 𝑋𝑘𝑒𝑗2𝜋

𝑘𝑛

𝑁

𝑁−1

𝑘=0

Après conversion série-parallèle d’un bloc de N symboles, l’émetteur OFDM effectue une

transformée de Fourier discrète, réalisée par un algorithme d’IFFT implanté sur un DSP, pour

générer le signal OFDM en bande de base. Celui-ci est constitué de N échantillons séparés d’un

séparés d’un temps Tx.

L’émetteur fait ensuite précéder le signal OFDM d’un intervalle de garde qui constitue ce qu’on

appelle préfixe cyclique (CP : Cyclic Prefix). Plus précisément, ce CP est obtenu en recopiant les P

derniers échantillons du symbole OFDM, au début du signal OFDM. Le signal OFDM étendu

comprend alors (N+P) échantillons.

Pour terminer, une opération de modulation permettra de transporter le signal OFDM étendu dans

la bande passante du canal de transmission.

c. Le rôle du préfixe cyclique CP (Cyclic prefix)

Les signaux OFDM sont transmis les uns à la suite des autres dans le canal de transmission multi-

trajets. Considérons un canal à 2 trajets. Dans ce cas, deux copies du signal émis arrivent au niveau

du récepteur : l’une ayant suivi le trajet principal, l’autre ayant suivi un trajet réfléchi et arrivant

avec un retard [10].

Le signal réçu, constitué de la superposition de ces deux copies, présente de l’IES : interférence

entre symboles.

Si un intervalle de garde est inséré entre deux signaux OFDM consécutifs, chaque signal interfère

avec cet intervalle de garde au lieu d’interférer avec le symbole précédent.

23

A priori, l’intervalle de garde pourrait être constitué de zéros. Mais dans ce cas, une composante

continue sera introduite dans le signal OFDM modifiant le spectre, les porteuses ne sont plus

orthogonales et à la réception, on récupérerait de l’interférence entre porteuses (ICI : Inter-Carrier

Interference) en plus du signal utile. Pour éviter l’ICI, l’intervalle de garde utilisé en OFDM est un

préfixe cyclique : il correspond à la recopie des derniers échantillons du signal OFDM en début de

signal. Plus précisément, il est constitué de la recopie des P derniers échantillons du symbole

OFDM.

Le préfixe cyclique permet donc d’éviter les interférences entre symboles OFDM consécutifs. Pour

cela, la durée du CP doit être supérieure ou égale au retard maximal apporté par le canal, donc le

nombre d’échantillons P ≥ L où L est le nombre de trajets du canal. Il permet aussi de périodiser

partiellement le signal OFDM et ainsi de transformer l’opération de convolution cyclique lors du

passage dans le canal.

d. La technique d’accès OFDMA

La technique OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) correspond à la

combinaison de la technique de transmission OFDM avec la technique d’accès FDMA.

En OFDMA, les sous-porteuses OFDM sont partagées entre les différents utilisateurs actifs sur la

cellule. A chaque instant, les données des utilisateurs modulées sur les différentes sous-porteuses

sont sommées et envoyées simultanément vers tous les usagers via un symbole OFDM.

Le principal avantage de cette technique est sa grande flexibilité : le réseau effectue une allocation

dynamique des sous-porteuses en fonction des conditions radio de chaque utilisateur. [8]

Figure 2.02 : Principe de la technique OFDMA

24

2.2.3.2 La technique SC-FDE et SC-FDMA sur la voie montante

Dans la norme LTE, la technique de transmission OFDM n’est prévue que sur la voie descendante.

D’abord le fort PAPR (Peak to Average Power Ratio) dû à la nature multi-porteuse de l’OFDM pose

un réel problème côté mobile en voie montante, puisqu’il entraine une réduction de l’efficacité de

l’amplificateur de puissance, donc soit une plus grande consommation du mobile, soit une portée

plus faible de transmission et un coût plus élevé du mobile.

Pour la voie montante, le choix s’est porté sur la technique SC-FDE (Single Carrier Frequency

Domain Equalization) dont le principe est de simplifier l’égalisation comme en OFDM en le

réalisant dans le domaine fréquentiel, mais de transmettre en mono-porteuse pour conserver un

PAPR faible [8] [10].

La technique SC-FDMA correspond à la combinaison de la technique de transmission SC-FDE avec

la technique d’accès FDMA.

Son principe est de découper la bande totale disponible en sous-bandes qui sont partagées entre les

différents utilisateurs actifs sur la cellule. Ceux-ci émettent simultanément à l’aide de la technique

mono-porteuse SC-FDE sur les sous-bandes allouées.

2.2.3.3 La technologie MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) est l’une des technologies clés utilisées dans la norme LTE.

Profondément ancrées dans la recherche sur les communications mobiles, les techniques MIMO

apportent les avantages de l’utilisation de plusieurs antennes afin de répondre aux exigences de la

norme LTE en termes de débit et de la qualité.

Les méthodes MIMO peuvent améliorer la communication mobile de deux manières différentes :

en augmentant les débits de données globaux et en augmentant la fiabilité du lien de communication.

Les algorithmes MIMO utilisés en LTE peuvent être divisés en quatre grandes catégories : diversité

de réception, diversité de transmission, formation de faisceau ou beamforming et multiplexage

spatial. Dans la diversité de transmission et beamforming, on transmet des informations redondantes

sur différentes antennes. Donc, ces méthodes ne contribuent pas à l’augmentation des débits de

données pouvant être atteints, mais rendant plutôt la liaison de communication plus robuste.

Cependant, le multiplexage spatial vise à transmettre des informations indépendantes (non

redondantes) sur différentes antennes qui peuvent considérablement augmenter le débit. La mesure

dans laquelle les débits de données peuvent être améliorés peut être linéairement proportionnelle au

nombre d’antennes d’émission. Pour ce faire, le standard LTE fournit plusieurs configurations de

25

transmission comprenant jusqu’à quatre antennes de transmission dans sa spécification de liaison

descendante [11].

2.2.3.4 Structure de la trame

Dans LTE FDD, les structures de trame et de sous-trame radio sont les mêmes dans les liaisons

descendante et montante. La structure d'un slot dépend de la méthode d'accès multiple et est donc

différente en liaison descendante et en liaison montante. Un slot en downlink comprend

généralement 7 symboles OFDM. Si le préfixe cyclique étendu est utilisé, il y a 6 symboles par slot.

En liaison montante, le nombre de symboles dépend de la bande passante utilisée [12]. La longueur

d’une trame radio est de 10 ms et consiste en 10 sous-trames. La structure de cette trame est

présentée à la figure 2.03. La longueur d’un PRB est de 0,5 ms (un slot) et contient 12 sous-

porteuses. L'espacement des sous-porteuses est de 15 kHz, la largeur de bande PRB est donc de 180

kHz. La structure des PRB est illustrée à la figure 3. L’eNodeB alloue des ressources radio dans

chaque sous-trame (1 ms). Il est également appelé Transmission Time Interval (TTI). Par

conséquent, l'allocation minimale pour chaque utilisateur est de deux PRB. Le nombre ces

ressources blocs dépend de la bande passante disponible. Les largeurs de bande LTE prises en

charge sont 1,4, 3, 5, 10, 15 et 20 MHz. La largeur de bande minimale de 1,4 MHz correspond à 6

PRB, y compris les bandes de garde. De manière correspondante, la bande passante maximale dans

le réseau LTE est de 20 MHz, ce qui inclut 100 PRB et les bandes de garde [13].

2.2.3.5 Modulation

La modulation est un processus dans lequel les propriétés du signal porteur sont modifiées avec le

signal à moduler, contenant les informations à transmettre. Plus d'informations peuvent être

transmises en utilisant un schéma de modulation d'ordre supérieur. Les modulations QPSK

(Quadrature Phase Shift Keying) et QAM (Quadrature Amplitude Modulation) sont utilisées pour

transmettre les informations du plan utilisateur en LTE. Le signal modulé a 2m états différents et

chaque symbole contient m bits. En QAM, on peut avoir par exemple 16 ou 64 états différents. Les

schémas de modulation QPSK, 16QAM et 64QAM sont utilisés en LTE. QPSK est le schéma de

modulation d'ordre le plus bas et il est capable de transmettre 2 bits par symbole. 16QAM peut

transmettre 4 bits par symbole et 64QAM peut en transmettre 6 [14]. Si la bande passante est

maintenue constante, la modulation d'ordre supérieur augmente le débit de transmission.

26

Figure 2.03 : Structure d’une trame LTE en downlink

Figure 2.04 : Structure d’une ressource bloc

Alternativement, la bande passante peut être réduite tout en maintenant le débit. Cependant, la

modulation d'ordre supérieur est plus vulnérable au bruit. Ainsi, utilisant par exemple la 64QAM

nécessite de bonnes conditions de rapport signal sur bruit (SNR) pour atteindre un taux d'erreur

binaire acceptable. En pratique, le réseau sélectionne un schéma de modulation plus robuste si les

conditions du canal se dégradent. En LTE, une même modulation est utilisée sur l’ensemble de la

porteuse. En théorie, l'OFDMA permet d'utiliser une modulation différente pour chaque sous-

porteuse. Cependant, cela n’est pas faisable en raison de la signalisation supplémentaire requise

[10].

Ces différents types de modulation sont visualisés sur la figure 2.05.

27

Figure 2.05 : Schéma de modulation en LTE

2.2.3.6 Adaptation de liaison en LTE

L’adaptation de liaison est définie comme un ensemble de techniques permettant de modifier et

d’adapter les paramètres de transmission d’un système de communication mobile afin de mieux

répondre à la nature dynamique du canal de communication.

En LTE, suivant la qualité du canal, nous pouvons utiliser différentes techniques de modulation et

de codage (modulation adaptative et codage), modifier le nombre d’antennes d’émission et de

réception (MIMO adaptatif) et même modifier la bande passante de transmission. La planification

en fonction du canal est étroitement liée à l’adaptation de liaison. C’est une question de savoir

comment partager les ressources radio entre plusieurs utilisateurs afin de parvenir à une utilisation

plus efficaces des ressources.

En général, on doit minimiser la quantité de ressources allouées à chaque utilisateur ou faire

correspondre les ressources au type et à la priorité des données de l’utilisateur. La planification en

fonction du canal vise à prendre en charge le plus grand nombre d’utilisateurs possible, tout en

satisfaisant les meilleures exigences de qualité de service pouvant exister en fonction de l’état

instantané du canal.

2.2.4 Les protocoles radio

La structure du protocole Evolved Packet System (EPS) a considérablement changé par rapport aux

technologies 3GPP précédentes. EPS repose sur les protocoles Internet et pour les informations du

plan de contrôle. Les protocoles d'interface radio sont spécifiés par 3GPP. Ils sont décrits plus en

détail dans cette section.

28

Les protocoles d’interface radio permettent de configurer, de modifier et de libérer les RAB (Radio

Access Bearers) nécessaires au transport des données IP. Les piles de protocole radio sont quelque

peu différentes pour le plan de contrôle et le plan utilisateur, elles sont donc présentées séparément.

La pile de protocoles de ces deux plans est illustrée à la figure 2.06 et 2.07 respectivement.

2.2.4.1 Le plan de contrôle

Les éléments de réseau requis pour le plan de contrôle sont l’UE, l’eNodeB et le MME. L’interface

entre l’UE et l’eNodeB s’appelle LTE-Uu et l’interface entre l’eNodeB et le MME est appelée S1-

MME.

a. La pile de protocoles suivant l’interface LTE-Uu

La pile de protocoles du plan de contrôle de l’interface LTE-Uu comprend les couches de protocole

suivantes : couche 1 (L1 ou Layer 1), couche 2 (MAC, RLC et PDCP) et couche 3 (RRC).

La couche L1 est souvent appelée couche physique, qui comprend le support de transmission utilisé

et ses fonctionnalités (modulation, accès multiple).

Figure 2.06 : Pile de protocoles du plan de contrôle pour les interfaces LTE-Uu et S1-MME

La couche MAC (Medium Access Control) est utilisée pour mapper les canaux logiques aux canaux

de transport. Il est également responsable des rapports sur le volume du trafic et de la correction des

erreurs par retransmission (HARQ). Les fonctions d’ordonnancement sont aussi assurées par cette

couche [15].

29

La couche RLC (Radio Link Control) est connectée à la couche MAC via des canaux logiques. Elle

traite et transfère les unités de données entre les couches supérieures et inférieures (PDU vers les

couches inférieures et SDU vers les couches supérieures) [16].

La couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) est située au-dessus de la couche RLC et ses

principales fonctionnalités sont la compression d’en-tête, le chiffrement des données et la protection

de l’intégrité et la vérification [17].

La couche RRC (Radio Resource Control) est la responsable de la gestion des ressources radio de

l’UE, les fonctions de mobilité, le paging, la gestion des cellules et l’établissement et la libération

des DRB (Data Radio Bearers) utilisés [18].

NAS ou Non-Access Stratum) est un protocole de signalisation entre l’UE et le MME. Il est utilisé

pour prendre en charge la mobilité de l’UE et pour établir et maintenir une connectivité IP entre

l’UE et le P-GW [19].

b. La pile de protocole suivant l’interface S1-MME

Suivant cette interface, la pile de protocoles du plan de contrôle suit le modèle IP (Internet Protocol)

et comprend les couches suivantes :

La couche physique (L1) fournit un moyen de transport aux couches supérieures et, dans le contexte

des EPS, il est généralement implémenté avec une fibre optique.

La couche L2 fait référence au support fourni pour le protocole IP. Il gère l’encapsulation des

paquets IP. En EPS, la technologie L2 typique est Ethernet.

La couche IP traite et rassemble les datagrammes IP entrants et choisit le prochain nœud pour les

datagrammes IP sortants. Elle assure essentiellement la fonction de routage de tout réseau de

données.

SCTP (Stream Control Transmission Protocol) est le protocole de transport pour les messages du

plan de contrôle EPS. Il offre un flux de transport fiable au-dessus de la couche IP.

S1-AP (S1 Application Protocol) fournit le service de signalisation entre eNodeB et le MME. Elle

a des fonctions telles que la gestion des RAB, indication de capacité de l’UE, le paging et le transport

de la NAS.

2.2.4.2 Le plan usager

Les éléments requis pour le plan utilisateur sont l’UE, l’eNodeB et la passerelle S-GW / P-GW.

L’interface radio est appelée LTE-Uu et l’interface entre l’eNodeB et S-GW est appelée S1-U. La

30

figure représente la pile de protocoles du plan usager et cette pile comprend les couches suivantes :

couche 1 (L1), couche 2 (MAC, RLC, PDCP) et couche 3 (IP). La structure est identique à celle du

plan de contrôle, à l’exception de la couche 3, où IP a remplacé le protocole RRC. Ainsi, les

protocoles de L2 et L3 sont déjà décrits dans la section 2.2.4.1, en ajoutant que la couche application

transporte toutes les données utilisateur souhaitées (FTP, HTTP, …).

La pile de protocoles du plan utilisateur de l’interface S1-U comprend les couches suivantes : couche

1 (L1), couche 2 (L2) et couche 3 (UDP / IP et GTP-U). La structure est similaire à celle de

l’interface S1-MME. Cependant, L3 inclut désormais UDP / IP et GTP-U. Les protocoles L1 et L2

sont déjà décrits dans partie S1-MME.

Figure 2.07 : Pile de protocoles du plan usager pour les interfaces LTE-Uu et S1-U

UDP/IP (User Datagram Protocol over Internet Protocol) est le mécanisme de transport utilisé dans

le plan utilisateur. C’est un protocole de transport minimal et peu fiable qui n’offre aucune garantie

pour le transport, mais entraîne une très faible surcharge de l’en-tête. Le contrôle de congestion est

supposé être traité dans les couches supérieures. UDP est utilisé pour le routage uniquement dans

EPC.

GTP-U (GPRS Tunneling Protocol User plane) est un protocole destiné à transporter des données

du plan usager dans EPS. Il contient des informations sur la qualité de service (QoS) et la mobilité

de l’UE [20].

2.2.5 La structure des canaux

En raison de la conception de canal partagé, il n’y a plus de canaux dédiés dans LTE. Les canaux

de transport constituent une interface entre la couche physique et la couche MAC. Les canaux de la

31

couche physique transportent les informations de canal de transport correspondantes. La couche

physique doit fournir une allocation dynamique des ressources de deux manières : variance du débit

et partage des ressources entre différents utilisateurs.

Le mappage des canaux entre les canaux logiques, physiques et de transport est décrit à la figure

2.08 pour le downlink et à la figure 2.09 pour le uplink [13].

Figure 2.08 : Structure des canaux en downlink

Figure 2.09 : Structure des canaux en uplink

2.2.5.1 Les canaux physiques

Les canaux physiques transmettent les données entre les nœuds. Ils ont leurs mappages

prédéterminés sur les ressources physiques. Chaque cellule a un mappage différent basé sur son

identifiant physique PCI (Physical Cell Identifier) [12].

a. Les canaux physiques pour la liaison descendante

Physical Broadcast Channel (PBCH) transmet le MIB (Master Information Bloc) en downlink, qui

indique la largeur de bande du canal et les informations PHICH nécessaires. Le bloc de transport

BCH codé est mappé sur quatre sous-trames pour assurer une transmission correcte.

32

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) permet d’informer l’UE et le réseau du

nombre de symboles OFDM utilisés pour les PDCCH. Il est transmis dans le premier symbole

OFDMA de chaque sous-trame.

Physical Downlink Control Channel (PDCCH) informe l’UE et le réseau de l’affectation des

ressources des informations PCH, DL-SCH et HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest). Il

transporte aussi l’attribution d’ordonnancement de la liaison montante.

Enhanced Physical Downlink Control Channel (EPDCCH) est utilisé pour informer l’UE de

l’allocation de ressources dans DL-SCH et des informations HARQ relatives.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) est utilisé pour porter les acquittements d’HARQ.

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) est le canal principal pour la transmission de données

des utilisateurs en downlink. Il transporte également les informations broadcast et paging.

Physical Multicast Channel (PMCH) est similaire au PDSCH et est utilisé pour transporter les

données utilisateur de multidiffusion.

b. Les canaux physiques pour la liaison descendante

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) transporte les informations de contrôle pour la liaison

montante s’il n’y a pas de transmission de données utilisateur, ainsi que les rapports de transmission

HARQ (ACK/NACK) en réponse de la liaison descendante et les informations sur l’état de canal

(CSI).

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) est utilisé pour transporter les données utilisateur

multiplexés avec les informations de contrôle en liaison montante.

Physical Random Access Channel (PRACH) est utilisé pour la procédure d’accès aléatoire.

2.2.5.2 Les canaux de transport

Les canaux de transport sont utilisés pour transporter les informations dans L2 et L3. La couche

MAC est connectée à la couche physique (L1) via les canaux de transport [10].

a. Les canaux de transport pour la liaison descendante

Broadcast Channel (BCH) est un canal de liaison descendante permettant de diffuser les paramètres

système requis pour permettre à l’UE d’accéder au système. Les paramètres incluent la bande

passante, le nombre de ports d’antenne d’émission et le numéro de trame, entre autres.

33

Downlink Shared Channel (DL-SCH) est utilisé pour transporter les données utilisateur de liaison

descendante pour les connexions point à point. Les données utilisateur et les informations de

contrôle de couche supérieure dans l’état RRC_CONNECTED (mode connecté) sont transmises via

DL-SCH.

Paging Channel (PCH) est utilisé pour transporter des informations de paging dans la liaison

descendante afin de définir l’UE de l’état RRC_IDLE à l’état RRC_CONNECTED.

Multicast Channel (MCH) est utilisé pour transférer le contenu de multidiffusion aux UE en liaison

descendante.

b. Les canaux de transport pour la liaison montante

Uplink Shared Channel (UL-SCH) est un canal commun permettant de transporter les données

utilisateur et les informations de contrôle provenant de l’UE en mode connecté.

Random Access Channel (RACH) est utilisé en liaison montante pour répondre au message de

paging ou pour initier le passage de l’état en veille à l’état connecté, et ainsi activer la transmission

UL-SCH.

2.2.5.3 Les canaux logiques

Le service de la couche MAC vers la couche RLC est conduit via des canaux logiques. Différents

canaux logiques sont désignés pour différents services de transfert de données, à la fois pour les

liaisons montante et descendante. Les canaux logiques sont mappés sur les canaux de transport

correspondants. En uplink, ils sont mappés sur l’UL-SCH. Le canal d'accès aléatoire (RACH) n'a

pas de mappage de canal logique [10].

Chaque canal logique est défini par le type d'informations transmises [13].

a. Les canaux logiques de contrôle

Common Control Channel (CCCH) est utilisé pour transmettre des informations de contrôle entre

l’UE et le réseau. On l’emploie en mode veille (RRC_IDLE) et existe à la fois en UL et en DL.

Dedicated Control Channel (DCCH) est un canal bidirectionnel point à point permettant de

transmettre des informations de contrôle dédiées entre l'UE et le réseau. Il est utilisé dans l’état

connecté (RRC_CONNECTED).

Multicast Control Channel (MCCH) est un canal point à multipoint en DL permettant de contrôler

le transfert de données multipoint dans le MTCH.

34

Broadcast Control Channel (BCCH) est canal en DL pour diffuser en broadcast les informations de

contrôle. Il fournit les informations nécessaires au nouvel UE pour accéder au système.

b. Les canaux logiques de trafic

Dedicated Traffic Channel (DTCH) est canal de trafic permettant à un UE de transférer des données

utilisateur. Il est utilisé à la fois en DL et en UL.

Multicast Traffic Channel (MTCH) est un canal de trafic point à multipoint allant de l’eNodeB à

plusieurs utilisateurs. Il est utilisé donc en liaison descendante.

2.2.6 La mobilité en LTE

La mobilité permet aux utilisateurs de se déplacer n’importe où dans la zone de couverture du réseau

tout en maintenant la possibilité d’utiliser les services de voix et de données. Cette section présente

les principes de base de la mobilité intra-LTE [10].

La mobilité LTE comprend deux procédures : la mobilité en mode veille et en mode connecté.

En mode veille, l’UE n’a pas de connexion de signalisation active vers le réseau. Il indique son

emplacement au niveau de la zone de suivi, qui se compose de quelques centaines de cellules. Dans

l'état RRC_IDLE, l'association de l'UE avec la cellule serveuse est appelée camping. L’UE mesure

la force du signal de cette cellule et des cellules voisines, et effectue des resélections de cellules

autonomes sur la base des paramètres fournis par E-UTRAN si nécessaire. Toutefois, si la cellule

serveuse est suffisamment puissante, l’UE peut arrêter de mesurer les cellules voisines pour

économiser de l’énergie.

La mobilité en état RRC_CONNECTED consiste uniquement en handover. Ce dernier est contrôlé

par le réseau et E-UTRAN décide quand et où l’effectuer. Les handovers intra-LTE sont effectués

via l'interface X2 entre les eNodeB. Ils sont basés sur des mesures rapportées par l'UE. Les

paramètres de mesure sont définis par E-UTRAN. Les handovers sont ciblés de manière à être sans

perte en utilisant le transfert de paquets entre l’eNodeB source et l’eNodeB cible. La signalisation

est gérée directement entre les eNodeB. En supposant que MME et S-GW restent inchangés, l'EPC

n'a aucun contrôle sur les handovers intercellulaires et la connexion S1 n'est mise à jour qu'après un

handover intercellulaire réussi.

Les mesures de réseau radio spécifiées dans LTE pour l'UE sont les suivantes:

Reference Signal Received Power (RSRP) mesure la puissance moyenne des resources elements

(RE) contenant des signaux de référence spécifiques à la cellule. RSRP indique la force du signal et

a une plage entre -140 dBm et -44 dBm.

35

Reference Signal Received Quality (RSRQ) est le rapport entre RSRP et RSSI aux signaux de

référence. Il indique la qualité du signal et a une plage entre -19,5 dB et -3 dB.

Received Signal Strength Indicator (RSSI) indique la puissance totale de la largeur de bande reçue

sur une fréquence donnée. Il inclut toute la puissance reçue, et donc les interférences et le bruit. Il

est utilisé pour calculer la RSRQ.

L’UE estime l'état du canal à partir des symboles de référence dans les transmissions en liaison

descendante, puis rapporte les informations sur l’état du canal (CSI) à l'aide de PUCCH ou de

PUSCH. Ces informations permettent à l’eNodeB de procéder à l’adaptation de liaison.

En LTE, les informations sur l'état du canal incluent les indicateurs suivants:

- Indicateur de qualité de canal ou Channel Quality Indicator(CQI)

- Indicateur de classement ou Rank Indicator(RI)

- Indicateur de matrice de précodage ou Precoding Matrix Indicator (PMI)

L’indicateur le plus important est le CQI, il fournit les informations nécessaires à l’eNodeB pour

attribuer le type de modulation et de codage approprié à l’UE.

Le RI est la recommandation initiée par l'UE pour le nombre de flux à utiliser dans le multiplexage

spatial, donc c’est signalé uniquement quand il fonctionne dans MIMO avec multiplexage spatial.

Dans E-UTRAN, les relations de voisinage peuvent être ajoutées automatiquement avec ANR

(Automatic Neighbour Relation). Lorsque l’UE se déplace vers une nouvelle cellule, on identifie le

PCI de la nouvelle cellule à partir des signaux de synchronisation [10] [13].

2.3 Les évolutions apportées par la norme LTE-Advanced

La vraie 4G correspond à la norme LTE-Advanced. La première version de la norme (Release 10)

s’est achevée fin 2011. Elle est conçue comme une évolution de LTE, les deux normes sont donc

compatibles. Ce paragraphe a donc pour but d’évoquer toutes ces améliorations techniques présentes

dans la norme LTE-A [21].

Le tableau 2.02 montre la comparaison des exigences de performance du LTE avec certaines

conventions actuelles du LTE Advanced.

2.3.1 Carrier aggregation

L’agrégation de porteuses ou carrier aggregation (CA) en anglais est un élément essentiel de la

technologie 4G LTE Advanced qui permet d’obtenir un débit de données beaucoup plus élevé en

combinant un ou plusieurs porteuses.

Le chapitre 3 a pour but de détailler ce concept de CA [21].

36

2.3.2 Coordonated Multipoint

Les réseaux cellulaires futurs devront fournir simultanément un grand nombre d'utilisateurs

différents avec des débits de données très élevés, et la capacité des nouveaux systèmes d'accès radio

doit être augmentée.

Technologie LTE LTE-A

Débit maximum DL 150 Mbps 1 Gbps

UL 75 Mbps 500 Mbps

Largeur de bande max DL 20 MHz 100 MHz

UL 20 MHz 40 MHz (définie par l'IUT)

Mobilité

Optimisé pour les basses vitesses (< 15 km/h)

Haute performance à des vitesses allant jusqu'à 120 km / h

Maintenir les liaisons à une vitesse maximale de 350 km / h

Couverture

Pleine performance jusqu'à

5 km / h

Devrait être optimisé ou

déployé dans des

environnements locaux /

micro-cellules.

Largeur de bande

disponible 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz 20 MHz - 100 MHz

Capacité

200 UE actif / cellule en 5

MHz 3 fois plus que la LTE

Tableau 2.02: Comparaison entre LTE & LTE-Advanced

Traditionnellement, dans les systèmes cellulaires chaque utilisateur est affecté à une station de base

sur la base de critères tels que la puissance du signal. Du côté terminal, l'ensemble des signaux en

provenance du reste des stations de base sous la forme d'interférences limitent considérablement les

performances. L'utilisateur communique aussi avec une station de base de desserte unique tout en

provoquant des interférences avec le reste d'entre eux. En raison de la limitation du brouillage de

systèmes cellulaires, la tâche de réception de données élevées ne peut pas être accomplie en

augmentant simplement la puissance de signal de la transmission. Chaque station de base traite les

utilisateurs dans des cellules de façon indépendante, et le reste des utilisateurs sont considérés

37

comme des interférences inter-cellules dont la puissance de transmission serait également

augmentée.

Une stratégie visant à réduire l'interférence des performances de limitation est de réduire

l'interférence inter-cellules à l'aide de la transmission coopérative. La transmission coopérative

multipoint (CoMP) et la réception est un cadre qui fait référence à un système où plusieurs nœuds

d'antennes réparties géographiquement coopèrent dans le but d'améliorer la performance des

utilisateurs servis dans la zone de coopération commune. Il englobe toutes les conceptions de

systèmes requis pour assurer une coordination étroite pour la transmission et la réception. La

coopération entre les eNB se caractérise par la nécessité d'une interconnexion entre les différents

noeuds sous la forme de très haute vitesse des liaisons dédiées. Fibre optique, connexion réseau

fédérateur câblé ou même très directionnels liaisons sans fil à micro-ondes pourraient être des

exemples possibles. Ces liens à faible latence sont essentiels pour le succès de la communication

coopérative, bien que sa conception soit une question très difficile en raison de la grande quantité

de données qui peuvent avoir besoin d'être échangés entre les nœuds. La LTE-A utilisera l'interface

X2 standardisé à ces fins. [21]

2.3.3 Réseaux hétérogènes

L’augmentation rapide du trafic de données va submerger la capacité des macro-cellules dans un

futur proche. Même si plus de spectre et des fonctionnalités plus avancées sont mises en œuvre, un

déploiement des petites cellules sera nécessaire dans la couverture de la couche macro.

L'augmentation du nombre de stations de base est le moyen le plus simple d'accroître la capacité du

réseau. Du point de vu matériel, ces petites eNodeB devraient être plus avancées et l’algorithme

intelligent SON (Self Optimisation Network) est mis en place pour réduire les opérations de

configurations. La coexistence de ces macro et microcellules, ainsi que de différentes technologies

d'accès radio, crée une diversité dans le réseau. Ce type de réseau est appelé réseau hétérogène ou

Heterogeneous Network (HetNet). Les micro-cellules sont des cellules extérieures à plus petite

échelle, utilisées dans les zones urbaines. Ils utilisent souvent le même équipement radio que les

macro-cellules. Les micro-cellules sont généralement déployées avec des antennes à faible gain et

peuvent utiliser des bandes de fréquence plus élevées que les macro-cellules. La liaison entre ces

deux types de cellules est assurée par une liaison de backhaul [21].

Parmi ces petites cellules, on peut distinguer le femto-cell, la pico-cell et la micro-cell (figure 2.09).

38

Figure 2.10 : Disposition du réseau hétérogène

2.3.4 Les relais

LTE-Advanced fonctionne généralement sur les hautes fréquences, qui subissent d'importantes

pertes de propagation radioélectrique, en particulier à l'intérieur des bâtiments. Les problèmes de

couverture peuvent être résolus avec une densité croissante de station de base. Cette solution est

toutefois coûteux et même impossible à certains endroits. La solution traditionnelle pour la

couverture en intérieur a été les répéteurs RF, qui amplifient le signal souhaité, mais aussi les

interférences. De plus, les répéteurs ne fournissent aucune fonctionnalité d'encodage ou de décodage

[21].

2.4 Conclusion

Ce chapitre nous a révélé le fonctionnement de la norme LTE et LTE-A. Concernant la LTE, on a

vu ses objectifs, son architecture, les différentes couches ainsi que les protocoles radio et la structure

des canaux. On a regardé aussi l’amélioration de la LTE pour aboutir à une nouvelle norme plus

performante qui est la LTE-A. Dans le chapitre suivant, on va regarder plus en détails l’une de ces

améliorations : l’agrégation de porteuses ou carrier aggregation.

39

CHAPITRE 3

AGREGATION DE PORTEUSES DANS LA NORME LTE-ADVANCED

3.1 Introduction

L’un des exigences de la 3GPP pour la LTE-A est la flexibilité en spectre. Cette flexibilité

s’explique par la possibilité d’opérer sur les bandes non contiguës. C’est la raison de l’agrégation

de porteuses. Ce chapitre a pour but d’expliquer cette technologie. On va regarder les possibles

scénarios de déploiement avec les différents types de CA, l’impact sur les protocoles radio en UL

et en DL, la gestion des ressources radio, l’impact sur l’UE et sur le réseau.

3.2 Généralités sur la CA

La largeur de bande maximale en LTE est de 20 MHz. Une bande passante plus large est nécessaire

pour atteindre des débits de données plus élevés. Cependant, un tel spectre est rarement disponible

pour un opérateur.

En outre, si une largeur de bande supérieure à 20 MHz doit être attribuée à plusieurs opérateurs,

l’ensemble des fréquences possibles est très limité. Ainsi, une telle largeur de bande serait également

incompatible avec les UEs compatible avec la release 8.

La release 10 a introduit une nouvelle technologie appelée carrier aggregation (CA) ou agrégation

de porteuses, qui prend en charge l’utilisation de plusieurs bandes LTE (Component Carriers : CC)

pour une transmission à large bande passante. Il est possible d’agréger jusqu’à cinq CCs et un

maximum de 100 MHz de spectre, en fonction des capacités de l’UE et de l’eNodeB. La CA fournit

des débits de données accrus aux utilisateurs et permet aux opérateurs d’utiliser pleinement le

spectre LTE fragmenté. En CA, les ressources de deux ou plusieurs porteuses LTE peuvent être

allouées à un seul UE. Elle est compatible avec les normes LTE releases 8 et 9.

L’UE fonctionnant avec la release 8 utilise une seule porteuse LTE, étant donné que l’UE supportant

la release 10 peut utiliser plusieurs porteuses [21].

En principe, il est possible de configurer un nombre différent de porteuses UL et DL, à partir de

différentes porteuses pour l’UE. Cependant, la CA a peu de limitations pratiques, le nombre de CC

dépend de la capacité de l’UE et il ne peut y avoir plus de CC en UL qu’en DL. La CC ou Component

Carrier est une porteuse définie dans la release 8 et peut donc avoir une largeur de bande de 1.4, 3,

5, 10 ou 20 MHz. L’espacement entre les fréquences centrales des porteuses contiguës est de N ×

300 kHz [13].

40

3.3 Type d’agrégation de porteuses

Il y a trois types d’agrégation définie par le 3GPP. La figure 3.01 montre le principe de ces trois cas.

Figure 3.01 : Agrégation de porteuses : inter-bande, intra-bande contiguë et non contiguë

3.3.2 CA intra-bande contiguë

Une transmission avec des CCs adjacentes, c’est le moyen le plus simple pour un opérateur

d’organiser une agrégation. Elle consiste à utiliser des CCs contiguës c’est-à-dire dans la même

bande de fréquence de fonctionnement de la LTE release 8 et 9. Une largeur de bande contiguë

supérieure à 20 MHz n’est pas pratiquement possible étant donné les attributions de fréquences

actuelles. Comme on a déjà mentionné, l’espacement entre les fréquences centrales des porteuses

agrégées de manière contiguë est un multiple de 300 kHz, compatible avec la trame de fréquences

de 100 kHz des release 8,9 et préservant orthogonalement les sous-porteuses avec un espacement

de 15 kHz [7].

3.3.3 CA intra-bande non contiguë

C’est une transmission avec agrégation de porteuses dans la même bande mais non adjacentes. Ce

type de CA est un peu plus compliqué que le cas où des porteuses adjacentes sont utilisées. Le signal

multi-porteur ne peut plus être traité comme un signal unique et deux émetteurs-récepteurs sont

donc nécessaires. Cela ajoute une complexité importante, en particulier à l’UE, où l’espace, la

puissance et le coût deviennent des considérations primordiales [7].

3.3.4 CA inter-bande

Cette forme de CA utilise des CCs dans différentes bandes. Cela sera particulièrement utile en raison

de la fragmentation des bandes, dont certaines ne font que 10 MHz de large. Pour l’UE, cela

41

nécessite l’utilisation de plusieurs émetteurs-récepteurs, avec l’impact habituel sur le coût, les

performances et la puissance. En plus de cela, il existe également des complexités supplémentaires

résultant des exigences de réduction de l’intermodulation et de la modulation croisée à partir des

deux émetteurs-récepteurs [7] [21].

3.4 Scénarios de déploiement

Le déploiement de la technique d’agrégation de porteuses offre aux opérateurs une bonne

opportunité d’affaires en leur permettant de transformer leurs investissements en licences de

fréquence en meilleurs débit de données sur le réseau d’accès radio. De plus, elle simplifie la gestion

du trafic multi bande en équilibrant la charge entre les différentes porteuses.

Les possibilités offertes par l’utilisation de plusieurs bandes de fréquences agrégées permettent une

grande variété de scénarios de déploiement pour l’opérateur. Dans cette section, quelques choix sont

présentés.

Dans tous les scénarios, il y a deux fréquences, dont la fréquence F1 représente la couche macro.

La fréquence F2 est déployée de cinq manières différentes.

Les deux premiers scénarios représentent les choix les plus courants. La différence est que le premier

représente la solution intra-bande et le dernier représente la solution inter-bande, où la fréquence F2

est la fréquence la plus élevée. Le troisième scénario offre des performances plus homogènes sur

toute la zone de couverture. Le quatrième scénario utilise un RRH (Remote Radio Heads), qui

offrent une capacité supplémentaire dans les points d’accès. Des répéteurs ou des relais sont utilisés

dans le cinquième scenario pour étendre la couverture de la fréquence supérieure. [13]

Avant de mettre en service donc l’un de ces scénarios, il faut posséder la licence de pouvoir exploiter

la nouvelle bande à rajouter. Analyser le trafic de la zone à couvrir afin de ne pas gaspiller les

ressources. Etudier l’impact de la CA surtout au niveau de l’interférence.

Dans le cas où l’opérateur n’a plus la possibilité d’acheter une nouvelle bande, on peut partager la

bande utilisée par la 2G ou la 3G c’est-à-dire faire un refarming.

Description Exemple

1

Les cellules F1 et F2 sont co-localisées et

superposées, offrant à peu près la même

couverture. Les deux couches fournissent une

couverture suffisante et assure la prise en charge

42

de la mobilité. Le scénario probable est lorsque F1

et F2 sont dans la même bande.

2

Les cellules F1 et F2 sont co-localisées et

superposées, mais F2 a une couverture plus petite

en raison d’une plus grande perte de trajet. Seul

F1 fournit une couverture suffisante et F2 est

utilisée pour améliorer le débit. La mobilité est

réalisée en fonction de la couverture de F1.

Scénario probable lorsque F1 et F2 sont dans des

bandes différentes.

3

Les cellules F1 et F2 sont co-localisées, mais les

antennes F2 sont dirigées vers les limites de la

cellule F1 de manière à augmenter le débit au bord

de la cellule. F1 fournit une couverture suffisante

mais F2 a potentiellement des trous, en raison

d’une perte plus importante. La mobilité est basée

sur la couverture de F1. Le scénario probable est

celui où F1 et F2 sont dans des bandes de

fréquences différentes.

4

F1 fournit une couverture macro, et sur F2, des

RRH sont utilisées pour améliorer le débit dans

les points d’accès. Les scénarios probables sont à

la fois lorsque F1 et F2 sont des porteuses DL

intra-bandes non contiguës et sur des bandes de

fréquences différentes.

5

Semblable au scénario 2, mais des répéteurs

sélectifs en fréquence sont déployés de sorte que

la couverture soit étendue pour l’une des

fréquences porteuses. On s’attend à ce que les

fréquences F1 et F2 du même eNB puissent être

agrégées lorsque la couverture se chevauche.

Figure 3.02 : Scénarios de déploiement de la CA

43

3.5 Impact sur le protocole radio

Cette section couvre quelques modifications sur le protocole radio par rapport à la spécification de

la release 8. Comme déjà mentionné, la CA utilise des porteuses LTE en parallèle pour la

transmission. Ces porteuses sont compatibles avec la release 8, qui ont hérité les mêmes principes

de transmission (accès multiple, modulation, codage canal) que cette dernière.

L’agrégation de porteuses utilise donc les protocoles de plan usager et plan de contrôle pour assurer

la compatibilité avec les versions antérieures. Dans la release 10, des procédures supplémentaires,

telles que la gestion des cellules, ont été introduites pour pouvoir supporter l’utilisation des plusieurs

CCs. On réfère souvent le CC par cellule serveuse par les fonctions de couche supérieure. L’UE n’a

qu’une seule cellule serveuse pour toutes les informations de contrôle requises (telle que la

connexion RRC) qui est appelée cellule primaire ou Primary Cell (PCell). Les autres cellules en

service avec l’UE sont appelées cellules secondaires ou Secondary Cells (SCell) [22].

3.5.1 La liaison descendante

Faire une agrégation de porteuse sur la liaison descendante est entièrement une fonction de

l’eNodeB. Dans le plan usager, la CA est invisible au-dessus de la couche MAC. La couche RLC

fournit les canaux logiques et l’opération dans cette couche ainsi que celle dans la couche PDCP

telles que le chiffrement et la compression d’en-tête ne sont pas différentes que celles spécifiées

dans la release 8. Les couches RLC et PDCP sont considérées comme des pipelines de transmission,

gérés par un composant de planification de la couche MAC.

Les différences par rapport à la release 8 concernent la couche physique L1 et la couche MAC. A

partir de la release 10, la couche MAC permet de contrôler jusqu’à 5 CCs au niveau de la couche

physique, elle est utilisée en CA pour diviser les données en plusieurs flux, un pour chaque CC de

la liaison descendante. L’agrégation de porteuse a donc des impacts sur quelques procédures MAC,

telles que la gestion de plusieurs canaux PDSCH et PUSCH. Ainsi, la couche MAC informe la

couche RLC sur les possibilités de transmettre sur toutes les porteuses et les paquets RLC sont ainsi

formés en conséquence. Les fonctions de ces deux couches sont co-localisées dans l’eNodeB.

La principale différence entre la structure protocolaire de la couche L2 entre les releases 8 et 10

réside dans le fait qu’il existe une entité HARQ pour chaque CC. Cette opération est la même que

dans la release 8, un bloc de donnée non envoyé doit être retransmis sur la même porteuse en utilisant

la même entité HARQ. Pour chaque CC, lorsque l’opération HARQ est exécutée, le signal de

44

contrôle associé (ex : PDCCH, PHICH, SRS) est également définie. Le multiplexage des flux de

données est effectué dans la couche MAC, mais au-dessus du processus HARQ.

Un UE capable de faire une CA doit être capable de traiter plusieurs blocs de transport dans un TTI,

et il n’a qu’une seule connexion RRC, quel que soit le nombre de porteuses utilisées. La cellule

primaire ou PCell est toujours actif et gère la transmission des informations de contrôle. Une fois la

connexion RRC établie, la couche MAC peut configurer les SCells. L’UE reçoit ensuite l’élément

de contrôle ou Control Element (CE) pour chaque SCell dédié. Les procédures d’activation et de

désactivation des SCells sont lancées avec les CE. Ces opérations peuvent être utilisées si les

conditions radio changent considérablement.

Le processus, où la connexion RRC est établie en premier, suivi de l’activation de la couche MAC

est nécessaire pour réduire la consommation d’énergie de l’UE. S’il n’y a pas de données à

transférer, les récepteurs inutiles sont désactivés [21].

3.5.2 La liaison montante

En principe, l’agrégation de porteuses en liaison montante qui est introduite à partir de la release 10

est similaire à celle de la liaison descendante. Elle permet à l’UE de transmettre avec deux porteuses

ou plus au lieu d’une.

Les principales différences en uplink par rapport à la release 8 sont : l’allocation de spectre non

contigu n’est pas nécessairement utilisée et le canal PUCCH est transmis uniquement sur la

fréquence de la cellule primaire (PCell) [21].

Si l’UE ou l’E-UTRAN ne supporte que la CA en downlink, les canaux PUCCH et PUSCH sont

transmis sur la fréquence de la PCell. Si des données en uplink sont programmées sur la PCell, les

informations de contrôle et ces données sont multiplexées sur le canal PUSCH, comme dans la

release 8. La release 10 permet de transmettre simultanément les canaux PUCCH et PUSCH. Cela

permet d'optimiser les niveaux de puissance des canaux indépendamment. La couche physique

prend en charge les retransmissions de données si nécessaire, mais les informations de contrôle ne

sont pas retransmises. Par conséquent, il est avantageux d’utiliser une puissance de transmission

plus élevée et un schéma de modulation plus robuste dans le canal de contrôle.

La signalisation en liaison descendante fournit les informations nécessaires à l’ordonnancement des

ressources PUSCH. La planification de la liaison montante en eNodeB est basée sur les messages

SRS (Sounding Reference Signal) envoyés avec les rapports d'état de la mémoire tampon de la

couche MAC pour chaque porteuse de liaison montante. On doit également s'assurer que l'UE

dispose de la puissance suffisante pour transmettre simultanément deux porteuses. Si ce n'est pas le

45

cas, la transmission en uplink est rétrogradée à une porteuse LTE. L'utilisation de CA en liaison

montante n'est pas visible pour les mesures de mobilité de l'UE et peut se continuer après le

handover, si la CA est également pris en charge dans l'eNodeB cible.

Les informations de contrôle de liaison montante (UCI : Uplink Control Information) fournissent

des retours d’information HARQ aux PDSCH, des CSI (Channel State Information) et des

demandes d’ordonnancement. Ces UCI peuvent être transmis sur PUCCH s’il n’y a pas d’autres

transmissions, et sinon sur le PUSCH. La release 10 prend également en charge les transmissions

simultanées PUSCH et PUCCH dans une même sous-trame. Par conséquent, le transport des UCI

sur PUSCH peut être évité en utilisant les ressources PUCCH existantes. Ce dernier ne peut être

transmis que dans la PCell. Si possible, les UCI sont toujours transmis sur un seul PUSCH.

Un nouvel format de PUCCH a été introduit dans la release 10 pour prendre en charge le retour

d’information HARQ dans les UE capable en CA sur la liaison descendante. Ce format utilise la

forme d’onde SC-FDMA avec cinq symboles par slot transportant ces informations HARQ. De plus,

un ou deux symboles sont utilisés pour transporter les signaux de référence (RS) afin de permettre

une démodulation cohérente du signal de retour.

Le contrôle de puissance sur la liaison montante est utilisé pour déterminer la puissance de

transmission de PUSCH et PUCCH afin d’assurer une transmission fiable. C’est indépendant pour

chaque CC activé. La puissance de transmission nécessaire pour émettre PUSCH et PUCCH est

appelée puissance de transmission nominale. La différence sur l’opération de contrôle de puissance

par rapport à la release 8 se produit si la somme des puissances de transmission nominales dépasse

la limite que l’UE est capable de transmettre.

L’UE peut transmettre un PUCCH, un PUSCH avec UCI ou plusieurs PUSCH sans UCI dans la

même sous-trame. Les informations de contrôle sont plus importantes que les données utilisateur.

Par conséquent, la puissance d’émission de l’UE est repartie en fonction de la priorité suivante :

PUCCH, PUSCH avec UCI et PUSCH sans UCI. Donc, si la puissance de sortie totale maximale de

l’UE est atteinte, la puissance de canal de priorité supérieure est garantie en premier.

Le réseau E-UTRAN peut ne pas connaître la puissance de transmission totale maximale de l’UE,

par exemple si l’UE a manqué les commandes TPC (Transmit Power Control). Par conséquent, l’UE

envoie des rapports PHR (Power Headroom Reports) pour fournir des informations précises sur la

puissance de transmission à l’eNodeB [22]. Il est utilisé pour estimer la différence entre la puissance

de sortie maximale nominale et la puissance de transmission de PUSCH estimée. En utilisant ces

informations, l’eNodeB peut effectuer une planification de la liaison montante avec une puissance

46

de transmission optimale. Avec la CA, plusieurs CCs en UL peuvent être utilisées et chaque CC

peut rencontrer différentes conditions de canal radio. Ainsi, la marge de puissance de chaque

porteuse devrait être indiquée et le contrôle de puissance devrait être appliqué à chaque porteuse

[21] [23].

3.6 Gestion des ressources radio

La gestion des ressources radio ou RRM (Radio Resource Management) est un ensemble de

fonctions au niveau du système qui contrôlent l’allocation des ressources dans l’interface radio LTE.

Son objectif est de maximiser l'efficacité spectrale en limitant les interférences et en optimisant

l'utilisation des ressources. Il gère également la mobilité de l’UE. RRM fournit des moyens pour

gérer les ressources radio dans des scénarios à une ou plusieurs cellules [24]. Les exigences définies

pour la RRM dans la version 8 s’appliquent également à LTE-Advanced.

Toutes les fonctions RRM sont situées dans l’eNodeB :

Radio Bearer Control (RBC) est utilisé pour établir et libérer les supports radio et pour configurer

les ressources radioélectriques correspondantes. Il prend en compte la situation globale des

ressources dans E-UTRAN et les exigences de qualité de service des demandes de support radio.

RBC est également responsable de la maintenance des supports radio pendant la mobilité.

Radio Admission Control (RAC) est responsable de l’admission ou du rejet des nouvelles demandes

de support radio. Il optimise l'utilisation des ressources en acceptant toutes les demandes si des

ressources radio sont disponibles et en les rejetant si une qualité de service appropriée ne peut pas

être maintenue pour les connexions existantes.

Connection Mobility Control (CMC) gère les ressources radio dans le cadre d’une mobilité d’état

en veille ou connectée. L’E-UTRAN diffuse les paramètres pour les mesures de l’UE et les seuils

de mobilité. La mobilité des connexions radio est prise en charge dans le handover

Dynamic Resource Allocation (DRA) ou la Packet Scheduling attribue les ressources radio pour les

paquets de plan usager et plan de contrôle. Il prend en compte les exigences de qualité de service

des supports radio, les informations de qualité de canal et la situation de brouillage.

Inter-cell Interference Coordination (ICIC) est utilisée pour gérer les ressources radio de manière à

réduire l’interférence intercellulaire. Elle prend en charge aussi la situation pour plusieurs cellules.

Load Balancing (LB) gère la distribution du trafic sur plusieurs cellules. Les algorithmes de LB

peuvent entraîner des handovers ou des resélections de cellules, voire même la charge entre les

cellules plus chargées et moins chargées [13].

47

L’agrégation de porteuses affecte la RRM et les performances globales en augmentant l’efficacité

du LB et du partage de ressources [21].

La fonction d’ordonnancement est située dans la couche MAC pour pouvoir utiliser efficacement

les ressources de canal partagé. Cet ordonnancement affecte dynamiquement les ressources radio

aux utilisateurs des canaux de transport DL-SCH et UL-SCH. Le volume de trafic, les exigences de

qualité de service et les exigences de support radio sont prises en compte dans les décisions

d’ordonnancement. Les conditions radio peuvent également être prises en compte dans les rapports

de mesure de l'UE. En générale, l’allocation de ressources radio (PRBs et MCS) est valide pour la

durée d’un TTI. Lorsque la CA est configuré pour un UE, plusieurs cellules serveuses peuvent être

planifiées simultanément. En outre, la planification inter-bande peut être utilisée à l’aide du CIF

(Carrier Indicator Field).

L'allocation de ressources pour les liaisons descendante et montante est signalée avec PDCCH et,

par conséquent, l'UE la surveille pendant qu'il est à l'état connecté. Les UE sont identifiés avec un

numéro C-RNTI attribué par E-UTRAN. Si CA est utilisé, le même C-RNTI s'applique à toutes les

CCs. Si une retransmission est nécessaire, elle est également signalée via le PDCCH.

Dans l'agrégation de porteuses, les UE de la release 10 peuvent être affectés à toutes les CCs

supportées par l'UE, tandis que les UE de la release 8 ne sont attribués qu'à une seule CC. Le RRM

doit sélectionner le bon CC pour chaque UE de version 8. S'il y a plusieurs utilisateurs sur chaque

CC, l’ordonnanceur de paquets devrait connaître les canaux dans le domaine fréquentiel afin de

maximiser la capacité du système. Le partage des ressources sur deux fréquences ou plus permet

d'optimiser cette capacité. Les ressources en pool sont moins vulnérables aux restrictions dues à une

répartition inégale de la charge entre les cellules. L’eNodeB peut décharger le trafic d'une cellule

de charge élevée à une cellule de charge faible, ce qui permet de maintenir une bonne capacité de

signalisation dans les deux cellules. A partir de la version 10, deux méthodes d’ordonnancement

sont disponibles: ordonnancement normal (PDCCH et PDSCH sont transmis dans la même cellule)

et le cross carrier scheduling (CCS) ou ordonnancement inter-porteuse (PDCCH peut être transmis

dans une cellule différente de celle de données correspondant).

Pour supporter le cross carrier scheduling, le PDCCH a été modifié en ajoutant un champ

d'informations sur la porteuse (CIF ou Carrier Information Field) pour indiquer que les ressources

appropriées pour la liaison descendante sont allouées. Le CCS permet une utilisation plus

dynamique des ressources PDCCH. Il est aussi utile avec les réseaux hétérogènes, où les canaux

PDCCH qui se chevauchent peuvent se gêner. Avec HetNets, il est possible de fournir un canal de

48

contrôle avec des données de plan utilisateur et des micro-cellules pour fournir uniquement des

données de plan utilisateur pour une capacité supplémentaire. Le CCS est également une méthode

efficace pour transférer la transmission de données à bande étroite à une porteuse à large bande. Le

CCS présente plusieurs avantages :

- Dans une situation d’interférence limitée, l’eNodeB peut configurer l’allocation de ressources de

la cellule interférée via une autre cellule moins interférée. Avec l’ordonnancement conventionnel,

le message de configuration peut ne pas atteindre la cellule correspondante.

- Le CCS améliore la flexibilité dans les opérations d’ordonnancement.

- Le nombre de de PDCCH que l’UE doit surveiller peut être inférieur au nombre de CC configurés.

Ainsi, l’UE n’est pas obligé de décoder tous les PDCCH, ce qui réduit considérablement le

traitement [22] [24].

3.7 Evolution de la mobilité

La mobilité avec l’agrégation de porteuses est essentiellement similaire à la release 8 LTE. Dans

cette section, la fonctionnalité de gestion de cellules et les améliorations apportées à la mobilité

d'état connecté sont décrites. Cette gestion de cellule est une nouvelle fonctionnalité qui doit être

réalisée en collaboration avec la gestion de la mobilité. Les actions dans la gestion de la cellule et

de la mobilité sont basées sur les mesures de l'UE. Ici, la gestion de cellules concerne les procédures

d'activation et de désactivation de SCell.

3.7.1 Gestion de cellules

La caractéristique essentielle de CA est que plusieurs cellules peuvent être configurées pour l’UE à

l’état connecté. Il peut donc exploiter la bande passante de toutes les cellules serveuses. Dans la

release 8 LTE, l’identité physique de la cellule (PCI) est utilisée pour dériver la clé de sécurité. Avec

la CA, il existe plusieurs PCI pouvant être choisis pour la dérivation de la clé de sécurité. Dans la

release 10, il est défini que, avec la CA, l’une des cellules joue le rôle de cellule primaire (PCell).

Lorsque l'UE initie une connexion RRC avec eNodeB, la cellule en question devient PCell qui est

en charge des messages d’information de contrôle (tels que la sécurité, les mesures et la mobilité).

Les cellules secondaires (SCell) fournissent notamment des ressources radio supplémentaires à

l'UE. En raison de cette nature, de nombreuses procédures UE ne sont pas appliquées à la SCell.

Ceux-ci incluent par exemple la surveillance des liaisons radio, la procédure d'accès aléatoire et la

planification semi-persistante. Les SCells peuvent être changés sans handover.

49

Après l'établissement de la connexion RRC, l'UE dispose d'une cellule serveuse configurée: PCell.

Les cellules secondaires ne sont configurées que dans l'état RRC_CONNECTED et si la quantité de

données contenue dans la mémoire tampon est suffisante, on peut ajouter une ou plusieurs SCells

via la procédure de reconfiguration de la connexion RRC. La même procédure est utilisée pour

ajouter, modifier et supprimer des SCells.

Les mécanismes d'activation et de désactivation de cellules sont mis en œuvre dans LTE-A pour

réduire la consommation d'énergie de l'UE. La release 8 introduit la réception discontinue (DRX ou

Discontinuous Reception) qui permet à l’UE de passer en mode d’économie d’énergie

lorsqu’aucune émission ou réception n’est en cours. Le réseau peut émettre une commande

d'activation ou de désactivation sous la forme d'un élément de contrôle MAC. Les procédures

d'activation et de désactivation peuvent être effectuées indépendamment pour chaque SCell. La

PCell ne peut pas être désactivée car il s'agit de la passerelle de signalisation RRC vers le réseau.

Une étape d'activation distincte est nécessaire pour réduire le temps système de signalisation

provoqué par l'activation et la désactivation fréquentes des cellules SC. Les PCells ne sont jamais

désactivées car elles maintiennent l'état connecté entre l'UE et eNodeB. L'activation et la

désactivation des cellules SCell sont implémentées dans la signalisation de couche MAC au lieu de

la signalisation RRC.

L'utilisation de la signalisation MAC réduit le délai dans les procédures d'activation et de

désactivation. L'UE doit effectuer uniquement des mesures RSRP et RSRQ sur la SCell désactivée.

Les mesures CSI consommant de l'énergie sont omises. En outre, la transmission CA en liaison

montante sur SCell est désactivée après la désactivation de SCell.

Les éléments de contrôle MAC (CE) pour l'activation et la désactivation des SCells ont été introduits

dans la release 10 pour manipuler la gestion des cellules. Il comprend un indicateur de SCell pour

déterminer quel SCell doit être activé ou désactivé. Chaque SCell peut également être désactivée

via un timer de désactivation spécifique. Si aucune commande de désactivation n'est reçue, la SCell

est désactivée après l’expiration du timer. Lorsque la SCell est déjà configurée mais désactivée, l'UE

doit pouvoir l'activer en moins de 8 ms. Si l'UE a reçu un élément de contrôle MAC pour l’activation

de la sous-trame n, l'opération SCell devrait commencer dans la sous-trame n + 8. La désactivation

exige le même 8 ms. Les opérations d’activation et de désactivation de SCell sont présentées à la

figure 3.03.

50

Figure 3.03 : Activation et désactivation de la cellule secondaire

La spécification 3GPP définit les exigences relatives au délai d'activation et de désactivation de

SCell dans l'agrégation de porteuses. Les exigences s'appliquent aux deux types FDD et TDD. Ce

délai fait référence au temps de traitement de l’UE et dépend de conditions spécifiques. L’activation

comprend la mise en marche d’une chaîne RF dans l’UE et la transmission d’un rapport CSI à

l’eNodeB. Si l’UE a récemment envoyé un rapport de mesure pour l’activation de la SCell et que

celle-ci reste détectable pendant l’activation, la procédure ne devrait pas durer plus de 24 ms. Sinon,

cela ne devrait pas prendre plus de 34 ms. L’interruption de la transmission des données en PCell

ne doit pas se produire moins de 5 ms avant la commande d’activation et 9 ms après la commande

pour le FDD. La durée maximale d’interruption est de 5 ms pour la CA intra-bande et de 1 ms pour

la CA inter-bande. Pour TDD, l’interruption ne doit pas se produire moins de 5 ms avant la

commande d’activation et 11 ms après la commande. L’UE doit envoyer un message CSI indiquant

qu’il est hors de portée jusqu’à la fin de l’activation de la SCell [22] [23].

3.7.2 Gestion de la mobilité

La mobilité en LTE-A est gérée avec la couche RRC. Les procédures comprennent l'ajout, le retrait

et la modification de SCell. L'addition de cellule est également appelée configuration de cellule pour

l'UE, ce qui est différent de l'activation. En générale, toute porteuse peut agir en tant que PCell.

Lorsque les informations de contrôle traversent la PCell, il est essentiel que la connexion radio reste

à un niveau satisfaisant. Donc, pour améliorer la qualité de la liaison, la PCell peut également être

modifiée par le réseau (handover). PCell peut également être modifié en raison de l’équilibrage de

la charge (Load Balancing) entre les cellules.

51

A l’état connecté, l'UE mesure la PCell pour déterminer si des modifications de cellule sont

nécessaires. Avec la CA, il n’y a toujours qu’une seule PCell configurée pour l’UE. Par conséquent,

l'UE n'a pas besoin d'effectuer de mesures supplémentaires par rapport à la mobilité dans la release

8. Si les critères de changement de cellule sont satisfaits et que l'événement de mesure A3 se produit,

l’eNodeB source demande le handover vers l’eNodeB cible. Avec la CA, la PCell n'est modifiée

que par handover. En fonction des capacités de l'eNodeB cible, différentes possibilités de handover

intercellulaire existent. S’il est capable de faire une agrégation de porteuses, les SCells peuvent être

reconfigurées, sinon elles sont supprimées.

Les SCells sont désactivés pendant l’établissement du handover. La commande de désactivation est

généralement incluse dans le même message de reconfiguration de la connexion RRC que la

commande handover. Les SCells restent désactivées jusqu'à ce que l'UE reçoive une commande

d'activation de l'eNodeB cible.

L’eNodeB met à jour une liste de candidats SCell en fonction des rapports de mesure. Cette liste

comprend les informations suivantes sur les SCells : l’identité physique (PCI), la fréquence porteuse

(EARFCN), la puissance du signal reçu (RSRP) et la qualité du signal reçu (RSRQ). L'eNodeB

source transmet cette liste à l'eNodeB cible lors de la préparation du handover pour la configuration

des SCells.

La sélection de PCell n'a pas changé par rapport à la release 8. Cependant, elle n'était pas couverte

dans la release 8, une signalisation supplémentaire a été donc incluse dans la release 10 pour faciliter

le handover. Dans la release 10, l'UE indique la meilleure cellule voisine sur chaque fréquence

serveuse. La mesure inclut les résultats RSRP et RSRQ des cellules voisines. Si les conditions sont

atteintes, la fréquence de la meilleure cellule voisine est configurée pour l'UE.

La procédure de mesure de la mobilité est fondamentalement la même dans l’agrégation de

porteuses que dans la release 8. L’eNodeB définit les objectifs de mesure pour chaque CC afin d’en

recevoir les rapports. Des mesures sont également effectuées sur les couches de fréquence des

cellules SCell configurées pour déterminer si elles doivent être changées. Le fonctionnement en état

de veille (idle mode) est inchangé par rapport à la release 8, la CA n'étant active que dans l'état

connecté.

Les seuils de mesure et les décalages sont configurés par le réseau. Les événements de mesure sont

présentés dans le tableau 3.01.

Evènement A1 La cellule serveuse devient meilleure que le seuil

Evènement A2 La cellule devient pire que le seuil

52

Evènement A3 La cellule voisine devient mieux que PCell

Evènement A4 La cellule voisine devient meilleure que le seuil

Evènement A5 PCell devient pire que le seuil 1 et la cellule voisine devient mieux que le

seuil 2

Evènement A6 La cellule voisine devient mieux compensée que SCell

Evènement B1 La cellule voisine inter-RAT devient meilleure que le seuil

Evènement B2 PCell devient pire que le seuil 1 et inter-RAT la cellule devient meilleure

que le seuil 2

Tableau 3.01: Événements de mesure dans LTE-A

L'événement de mesure A6 a été introduit dans la release 10. Il est utilisé pour détecter et signaler

les cellules plus fortes à la même fréquence que la SCell actuelle. Pour détecter une cellule plus

forte dans la fréquence PCell, l'événement A3 est utilisé comme dans la release 8. Sinon, les

événements de mesure requis ont été spécifiés. Ces événements ont été étendus dans la release 10

en ajoutant les informations de la cellule serveuse sur tous les messages (à l’exception des

évènements A4 et B1, qui n’en ont pas besoin). La release 10 conserve le principe de mesure de

LTE. Si le RSRP de la cellule serveuse (PCell) est suffisamment élevé, les mesures de la cellule

voisine sont omises pour réduire la consommation d'énergie. La figure 3.04 illustre la différence

entre les événements A3 et A6.

Le réseau est responsable de la configuration et de la reconfiguration des SCells vers l'UE. Leur

gestion peut utiliser des rapports de mesure pour la prise de décision. La gestion de SCell comprend

les procédures suivantes:

- Ajout de SCell: l'événement A4 peut déclencher un rapport de mesure du nouveau candidat SCell

détecté sur une autre fréquence, qui peut être configuré pour l'UE.

- Suppression de SCell: l'événement A2 peut déclencher un rapport indiquant que le niveau mesuré

de la fréquence de la cellule s'est dégradé et que la cellule doit être supprimée de l'UE.

- Activation de SCell: l'événement A1 peut déclencher un rapport indiquant que le niveau de la

SCell mesuré est désormais suffisant pour le transfert de données et qu'il peut être activé.

- Désactivation de SCell: l'événement A2 peut être utilisé de la même manière que la suppression

de la cellule.

- Remplacement de SCell: l'événement A6 est utilisé pour détecter les candidats SCell ayant des

niveaux de puissance reçus supérieurs à ceux de la SCell actuelle et peut déclencher le remplacement

par une autre SCell.

53

Figure 3.04 : Différence entre les événements A3 et A6

L’UE est nécessaire pour mesurer la cellule serveuse, les cellules adjacentes intra-fréquence et les

cellules adjacentes inter-fréquence. La mesure de la release 10 a été étendue pour prendre en charge

plusieurs cellules serveuses. Les mesures suivantes sont requises dans E-UTRAN:

- Mesures de toutes les cellules de service (PCell et SCells)

- Mesures intra-fréquence pour chaque fréquence de la cellule serveuse.

- Mesures inter-fréquences pour d'autres fréquences que les cellules serveuses.

3.8 Performance

L’utilisation de l’agrégation de porteuses apporte des gains de performance de différentes

manières mais nous allons étudier l’amélioration de débits de données grâce à une bande passante

accrue.

Le 3GPP a défini des objectifs plus élevées pour LTE-Advanced. Le système doit prendre en charge

une efficacité spectrale crête de 30 bits/s/Hz pour la liaison descendante (en supposant la MIMO

8x8) et 15 bits/s/Hz pour la transmission en liaison montante (en supposant une MIMO 4x4) [24].

Le débit à faible mobilité requis est de 1 Gbit/s et de 100 Mbit/s à forte mobilité. Les débits crête

possibles pour LTE-A sont présentés dans le paragraphe 3.8.2. De nouvelles catégories d'UE ont été

spécifiées dans LTE-A pour prendre en charge les nouvelles fonctionnalités. Ils sont présentés dans

le paragraphe 3.8.1. En outre, la gestion des ressources radio et la planification sont déjà abordées

au paragraphe 3.6.

54

3.8.1 Capacités des équipements usagers (UE)

Le nombre de CCs agrégées et les débits de données possibles dépendent des capacités de l'UE [13].

La release 10 du 3GPP a introduit trois nouvelles catégories d'UE qui prennent en charge

l'agrégation de porteuses. Les UE de catégories 6 et 7 supportent des débits de données de liaison

descendante maximum de 300 Mbit/s en utilisant soit MIMO 4x4, soit MIMO 2x2 avec 2x20 MHz

de CCs. La catégorie 8 a été spécifiée uniquement à des fins marketings. Cependant, il illustre les

possibilités de la technologie LTE-A en combinant 5 CCs de 20 MHz avec MIMO 8x8 en liaison

descendante et MIMO 4x4 en liaison montante. La release 11 a introduit quatre nouvelles catégories

(9, 10, 11 et 12) pour prendre en charge des débits de données DL de 450 Mbit/s et 600 Mbit/s [25].

Catégorie 6 7 8 9 10

Débit crpete (Mbps) Downlink 300 300 3000 450 450

Uplink 50 100 1500 50 100

Caractéristiques fonctionnelles minimales

Largeur de bande de chaque porteuse

1,4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz,

20MHz

Nombre maximal de porteuses radio agrégées en DL 3 3 5 5 5

Nombre maximal de porteuses radio agrégées en UL 1 2 5 1 2

Modulations

Downlink QPSK, 16QAM, 64QAM

Uplink QPSK, 16QAM

QPSK

16QAM

64QAM

QPSK, 16QAM

Antennes

MIMO 2x2 Oui

MIMO 4x4 Oui/Non Oui Oui/Non

MIMO 8x8 Non Oui Non

Catégorie pour dégradation LTE-A vers LTE 4 4 5 4 4

Tableau 3.02: Les catégories de l’UE (release 8 et 10)

Le débit crête théorique pour la transmission de données utilisateur peut être calculé à l’aide de la

taille de bloc de transport (TBS ou Transport Block Size) et du schéma de modulation et de codage

(MCS). Le TBS est transmis dans une sous-trame, qui a la longueur d’un TTI (1 ms). Une trame

radio est composée de 10 sous-trames (égale à 10 ms). Le réseau affecte à l'UE un MCS approprié

55

selon le CQI rapporté par l'UE. La valeur MCS détermine si la modulation QPSK, 16QAM ou

64QAM est utilisée. La 64QAM offre les meilleures performances, mais elle n’est utilisée que dans

un bon environnement radio. L’indicateur MCS détermine également le TBS, qui a des valeurs

prédéterminées.

Par exemple, un UE de catégorie 6 qui utilise les capacités LTE-A peut recevoir I(MCS) = 28. Cela

fait 75376 bits par TTI avec 100 PRB ou 150752 bits par TTI avec 200 PRB (CA avec bande

passante de 2x20 MHz). Avec 2x2 MIMO, cela se traduit par 301504 bits par TTI. Par conséquent,

le débit crête théorique dans la liaison descendante est de 301504000 bit/s (302 Mbit / s).

Concernant la conception au niveau de l’UE, la prise en charge de largeurs de bande plus élevées et

l’agrégation de porteuses dans différentes bandes de fréquences augmentent considérablement la

complexité du circuit émetteur-récepteur, y compris la conception de composants tels que les

amplificateurs de puissance à large bande, les commutateurs à haute efficacité et les éléments

d’antenne accordable.

3.8.2 Débit de données

Les débits de données en LTE dépendent généralement du schéma de modulation, du nombre de

blocs de ressources alloués, du codage canal et du nombre d'antennes d'émission (MIMO).

Dans la release 8, il est de 150 Mbit / s, ce qui est obtenu à l'aide d'une seule porteuse de 20 MHz,

de modulation 64QAM et un MIMO 2x2. En utilisant deux CCs de 20 MHz, le débit binaire double

pratiquement à 300 Mbit/s. En utilisant une antenne MIMO plus élevée (8x8) et le spectre complet

de 100 MHz, le débit de données théorique maximum est de 3 Gbit/s.

Ces débits de données théoriques crête de la liaison descendante utilisant différentes largeurs de

bande et schémas MIMO sont présentés à la Figure 3.05. En pratique, Ils ne peuvent être atteints

que dans d'excellentes conditions radio.

Pour la liaison montante, ce débit maximum est de 50 Mbit/s dans LTE. En utilisant une agrégation

de 2x20 MHz et la modulation 16QAM, ce débit passe à 100 Mbit/s. Si les MIMO 2x2 et 64QAM

liaisons montantes étaient prises en charge, on pourrait atteindre jusqu’à 300 Mbit/s. De plus, si le

maximum MIMO 4x4 de liaison montante et le spectre complet de 100 MHz étaient utilisés, le débit

augmenterait à 1,5 Gbit/s.

Dans la pratique, la mise en œuvre d'une agrégation de porteuse et l’utilisation du système MIMO

pose des défis importants. La puissance de la liaison montante est limitée et les utilisateurs du bord

de la cellule ne constatent généralement aucune amélioration des performances. L'UE situé au bord

56

de la cellule ne peut pas exploiter la bande passante accrue, car il doit distribuer toute la puissance

disponible à une seule porteuse pour assurer une transmission sans faille sur la liaison montante.

Figure 3.05 : Débits de données théoriques maximum dans la liaison descendante en fonction de

la bande passante disponible et du schéma MIMO

3.9 Impact de la CA sur l’UE

3.9.1 Cross-Carrier Scheduling (CCS)

C’est une fonctionnalité optionnelle pour l’UE introduite dans la release 10. Son objectif est de

réduire les interférences dans les scénarios HetNet c’est-à-dire avec une agrégation de porteuses

dans lesquelles une combinaison de macros, de petites cellules et de relais est utilisée. Avec son

utilisation, il est possible d’ordonnancer des ressources sur SCell sans PDCCH.

3.9.2 Procédure de transfert de la capacité de l’UE via RRC

Compte tenu de la souplesse de la CA, le réseau E-UTRAN doit être informé des détails sur l’UE à

propos de la CA. Mes informations relatives à la CA envoyées par l’UE concernant cette procédure

sont résumées ci-dessous :

- Catégorie de l’UE : la prise en charge de la CA est implicite pour les catégories 6 et plus.

- Support de CCS : indique si l’UE peut recevoir des ordres de planification concernant des SCells

provenant de la PCell.

- Prise en charge simultanée des transmissions PUCCH et PUSCH.

57

- Allocation de ressources de liaison montante non contiguë.

- Combinaisons de bande supportées.

- Prise en charge des rapports d’évènement A6

- Ajout de SCell pendant le handover.

- Transmission périodique des SRS sur toutes les CCs.

3.10 Combinaisons de bandes

La spécification 3GPP comprend une variété de combinaisons de bande possibles pour l'opération

d'agrégation de porteuse LTE-A. Les bandes LTE étant spécifiques à une région, seul un sous-

ensemble des combinaisons est disponible dans une région donnée. Les combinaisons de bande de

liaison descendante 2CC ont été spécifiées dans la première phase, et le premier ensemble de

combinaisons a été inclus dans la release 10 de 3GPP. Les combinaisons de bandes sont définies en

haut de la spécification et sont indépendantes de la publication. Par conséquent, ils peuvent être

implémentés dans l'UE en ajoutant les exigences de performances spécifiques à la bande et les

extensions de signalisation requises. Le 3GPP met régulièrement à jour la liste des combinaisons de

bandes CA [21] [26].

On peut supposer qu'à l'avenir, le nombre de combinaisons de bandes possibles dans la CA sera

élevé. Cependant, les UE ne peuvent probablement pas toutes les prendre en charge, ce qui entraîne

une fragmentation de leurs capacités. De plus, certaines combinaisons sont plus difficiles à mettre

en œuvre que d’autres. Par exemple, la combinaison de 900 MHz et 1800 MHz pourrait poser un

problème en raison de la distorsion harmonique. En générale, la combinaison d’une bande basse

avec une bande haute est plus facile à mettre en œuvre car les exigences de filtrage sont plus souples.

Le tableau 3.03 répertorie toutes les combinaisons intra-bande contiguës définies au moment où la

spécification de la release 12 a été gelée (mars 2015). Une CA à trois CCs était déjà possible en

début 2015 avec les bandes 40 ou 41 de la TDD. Au total, il y avait 11 combinaisons contiguës

intra-bande [26].

Le tableau 3.04 montre toutes les combinaisons de la CA non contiguës intra-bande [26]. Une CA

intra-bande non contiguë est intéressante pour les opérateurs dont le spectre est fragmenté. Elle

permet d'exploiter tout le potentiel de spectre plus petit. Il y avait 8 combinaisons de bandes

possibles pour une CA non contiguë intra-bande au moment du gel de la version 12.

58

Configuration Frequencies Max CCs Max bandwidth

CA_1 (FDD) 2100 MHz 2 40 MHz

CA_3 (FDD) 1800 MHz 2 40 MHz

CA_7 (FDD) 2600 MHz 2 40 MHz

CA_12 (FDD) 700 MHz 2 15 MHz

CA_23 (FDD) 2000 MHz 2 20 MHz

CA_27 (FDD) 850 MHz 2 13 MHz

CA_38 (TDD) 2600 MHz 2 40 MHz

CA_39 (TDD) 1900 MHz 2 35 MHz

CA_40 (TDD) 2300 MHz 3 60 MHz

CA_41 (TDD) 2500 MHz 3 60 MHz

CA_42 (TDD) 3500 MHz 2 40 MHz

Tableau 3.03: Combinaison intra-bande contiguë

Configuration Fréquences Max CCs Max bandwidth

CA_2_2 (FDD) 1900 MHz 2 40 MHz

CA_3_3 (FDD) 1800 MHz 2 40 MHz

CA_4_4 (FDD) 1700 MHz 2 40 MHz

CA_7_7 (FDD) 2600 MHz 2 40 MHz

CA_23_23 (FDD) 2000 MHz 2 15 MHz

CA_25_25 (FDD) 1900 MHz 2 40 MHz

CA_41_41 (TDD) 2500 MHz 2 40 MHz

CA_42_42 (TDD) 3500 MHz 2 40 MHz

Tableau 3.04: Combinaisons de CA non contiguës intra-bande

Le tableau 3.05 affiche quelques combinaisons inter-bandes FDD intéressantes pour 2 CCs en DL

pouvant être utilisées dans la région 1 de l'UIT-R (par exemple, en Europe) [26]. Des solutions CA

utilisant deux fréquences inter-bandes étaient déjà déployées en 2014, ce qui a incité plusieurs

opérateurs à lancer leurs réseaux LTE-Advanced dans le commerce.

Le tableau 3.06 présente plusieurs combinaisons de porteuses inter-bandes non contiguës pour 3 DL

CC. Les combinaisons consistent en fréquences utilisées dans la région 1 de l'UIT-R (par exemple,

59

en Europe) et chaque bande de fréquences est définie pour utiliser le mode FDD. En Europe, le LTE

est principalement déployé sur les bandes 3, 7 et 20. Par conséquent, la combinaison de ces trois

bandes est la plus intéressante pour les opérateurs et sera probablement utilisée dans la première

phase du déploiement de la CA. Les bandes 1 et 8 sont généralement utilisées pour GSM et

WCDMA. Dans un proche avenir, ils pourraient être affectés à la technologie LTE et utilisés lors

de la phase ultérieure du déploiement de la CA à 3 CCs.

Configuration Fréquences Max CCs Max bande passante

CA_1_3 (FDD) 2100 et 1800 MHz 2 40 MHz

CA_1_7 (FDD) 2100 et 2600 MHz 2 40 MHz

CA_1_8 (FDD) 2100 et 900 MHz 2 30 MHz

CA_1_20 (FDD) 2100 et 800 MHz 2 40 MHz

CA_3_7 (FDD) 1800 et 2600 MHz 2 40 MHz

CA_3_8 (FDD) 1800 et 900 MHz 2 30 MHz

CA_3_20 (FDD) 1800 et 800 MHz 2 30 MHz

CA_7_20 (FDD) 2600 et 800 MHz 2 30 MHz

CA_8_20 (FDD) 900 et 800 MHz 2 20 MHz

Tableau 3.05: Combinaisons de CA non contiguës inter-bandes

Configuration Fréquences Max CCs Max bandwidth

CA_1_3_8 (FDD) 2100, 1800 et 900 MHz 3 50 MHz

CA_1_3_20 (FDD) 2100, 1800 et 800 MHz 3 60 MHz

CA_1_7_20 (FDD) 2100, 2600 et 800 MHz 3 50 MHz

CA_3_7_20 (FDD) 1800, 2600 et 800 MHz 3 60 MHz

Tableau 3.06: Combinaisons de CA inter-bandes non contiguës

Notant que la configuration CA_a signifie une agrégation de porteuses contiguës intra-bande dans

la bande a, la configuration CA_a_a veut dire une agrégation de deux porteuses non contiguës intra-

bande dans la bande a et la configuration CA_a_b ou CA_a_b_c signifie respectivement une

agrégation de porteuses inter bande dans la bande a et b ou dans la bande a, b et c.

Les combinaisons spécifiées pour la CA en DL sont également à l'étude pour la CA en UL.

L'utilisation de plusieurs porteuses en uplink causerait des problèmes d'interférence supplémentaires

sur certaines combinaisons de bandes et leur utilisation nécessite donc une planification minutieuse.

60

Les combinaisons de bande de liaison descendante ont été spécifiées lors de la première phase car

elles sont plus faciles à mettre en œuvre dans la pratique. La CA en liaison montante a d'autres

problèmes en raison des éléments suivants:

- La limitation de la puissance de transmission maximale se traduit par une puissance inférieure de

3 dB par porteuse par rapport à une transmission à une seule porteuse.

- Deux émetteurs peuvent causer davantage d'émissions hors bande et une réduction supplémentaire

de la puissance pourrait donc être nécessaire.

- Dans certains cas, la bande de transmission de la liaison montante est trop proche de la bande de

réception de la liaison descendante et peut provoquer une fuite d'alimentation (par exemple, la

fréquence de bord de liaison montante de la bande 2 100 MHz est de 1920 MHz et la fréquence de

bord de liaison descendante de la bande de 1 800 MHz est de 1 880 MHz). Cependant, une telle

combinaison de bande ne sera probablement pas définie [21].

3.11 Conclusion

On a vu dans ce chapitre la technique d’agrégation de porteuses. Son implémentation provoque un

changement sur le réseau et l’UE. Le chapitre suivant a pour but de montrer l’amélioration apportée

par la CA suivant le type d’agrégation à faire en les comparant avec une seule porteuse LTE.

61

CHAPITRE 4

ETUDE DES TYPES D’AGREGATION DE PORTEUSES ET LEURS IMPACTS SUR LE

RESEAU 4G

4.1 Introduction

Théoriquement, l’agrégation de porteuse améliore le débit de façon considérable. Pour montrer ce

résultat dans des cas pratiques, on va utiliser le logiciel Atoll. D’abord, on va présenter tous les

paramètres utilisés dans la suite de la simulation. Ensuite, on va faire des agrégations de porteuses

en prenant plusieurs cas afin d’analyser et d’interpréter les résultats obtenus par des prédictions sous

Atoll.

4.2 Présentation du travail

L’objectif de ce mémoire consiste dans un premier lieu de montrer qu’il est possible d’obtenir une

bande passante plus large en agrégeant deux ou plusieurs porteuses LTE pour augmenter le débit.

Ensuite, parmi les types de CA, il est possible d’avoir des résultats différents avec une même largeur

de bande. Pour cela, il faut analyser les conditions radio comme la couverture et le niveau

d’interférence.

4.2.1 Paramétrages des cellules

L’attribution de PCIs pour chaque secteur est faite automatiquement par Atoll pour exclure la

possibilité des collisions.

Comme on a vu dans le chapitre trois, la cellule primaire ou Primary Cell (PCell) est nécessaire pour

toutes les informations de contrôles (handover, RRC, …). Les cellules en service avec l’UE sont

appelées cellules secondaires ou Secondary Cells (SCell) pour augmenter le débit. Le tableau 4.01

montre les paramètres importants des cellules.

Paramètres Pcell Scell (Intra bande) Scell (Inter bande)

Fréquence (MHz) 1800 1800 2600

EARFCN 1250 1350, 1450 2800

Antenne Kathrein

Gain d'antenne (dBi) 17 17 16,6

Ouverture (degrés) 65 65 60

Nombre d’antenne 2 2 2

62

Modèle de propagation Okumura Hata

Terminal (UE) Catégorie 8

Puissance max (dBm) 43 43 43

Tableau 4.01: Paramètres des cellules

Figure 4.01 : Emplacement des sites et azimut de chaque secteur

4.2.2 Configuration de l’UE

Après la release 10, des nouvelles catégories de l’UE (figure 3.02) se sont apparues pour supporter

les fonctionnalités de la LTE-Advanced, y compris la CA. Dans notre cas, on va utiliser un UE de

catégorie 8 qui peut supporter la modulation 64QAM avec les paramètres sur la figure 4.02.

4.2.3 Performances mesurées

Plusieurs indicateurs de performances peuvent être mesurés pour regarder la performance du réseau

4G, mais pour notre cas, on va se focaliser sur le débit et le CINR (Carrier to Interference plus Noise

Ratio).

63

Figure 4.02 : Paramètres de l’UE

4.2.3.2 Débit RLC maximum

C’est le débit maximum de la couche RLC (utilisateur ou canal) pouvant être atteint à un

emplacement donné en utilisant le support LTE le plus élevé disponible. Ce débit correspond au

débit brut sans tenir compte des effets de la retransmission dus aux erreurs, au codage et au

chiffrement de couche supérieure.

4.2.3.3 CINR

C’est le rapport entre la puissance de la porteuse portant le signal utile et la puissance totale des

signaux brouilleurs et du bruit thermique. Le CINR est plus applicable au LTE puisque la possibilité

d’interférence de canal est réduite.

64

4.3 Simulation sous atoll

Pendant toutes les simulations, on a utilisé 3 sites espacés de 15 km entre eux muni des antennes tri

sectorielles sur chacun d’eux en mentionnant que tous processus de planification et de

dimensionnement sont omis. Le but de la simulation est de montrer en premier qu’il est possible

d’améliorer le débit du réseau 4G en augmentant la bande passante, et après d’analyser la

performance en termes de débit des trois types de CA.

4.3.1 Une porteuse LTE de 10 MHz dans la bande 3 (1800MHz)

On va commencer par le cas d’une seule porteuse de 10 MHz ce qui signifie qu’il y a 50 PRB.

L’étude est basée par le résultat de prédiction suivant le débit. La figure 4.01 montre qu’avec 10

MHz, on a obtenu 15,853 Mbps de débit moyen et 4,75% de surface couverte ayant un débit plus

de 50 Mbps.

Figure 4.03 : Couverture par débit – bande LTE 10 MHz

4.3.2 Agrégation de porteuses contiguës intra bande

Dans cette paragraphe, on va analyser le résultat d’une agrégation de porteuses de 10 MHz bande 3

EARFCN 1250 avec une autre porteuse voisine c’est-à-dire EARFCN égal à 1350.

65

Figure 4.04 : Couverture par débit – CA contiguës intra-bandes

La figure 4.04 montre que le débit augmente de façon significative (moyenne de 30 ,877 Mbps) et

la surface couverte par un débit plus de 50 Mbps devient 18,14 %.

Puisque les deux bandes agrégées sont contiguës, il est nécessaire de regarder le niveau

d’interférences inter-porteuses (CINR ou Carrier to Interference and Noise Ratio). Ceci est montré

sur la figure 4.05.

Figure 4.05 : Niveau CINR - CA contiguës intra-bandes

66

Le niveau de CINR moyenne est de 7,05dB et 6,6 % de la couverture possède un niveau supérieur

à 15dB.

4.3.3 Agrégation de porteuses non contiguës intra-bandes

La même bande de fréquence (bande 3) est utilisée, mais les porteuses ne sont pas adjacentes. Ce

qui nécessite donc une complexité supplémentaire au niveau de l’UE, où la puissance et le coût sont

des considérations majeures. Pour la simulation, on a agrégé deux porteuses de 10 MHz ayant

comme EARFCN 1250 et 1450.

Figure 4.06 : Couverture par débit – CA non-contiguës intra-bandes

La figure 4.06 montre que la CA non contiguës intra-bande est un peu meilleur par rapport à celle

contiguës. Le débit moyen est de 31,558Mbps et 19,42% de la surface couverte ont un débit

supérieur à 50Mbps.

Le résultat de la simulation du niveau CINR effectué avec ce type d’agrégation montre une valeur

différente par rapport à la CA contiguës intra-bande. La figure 4.07 le montre.

Le niveau de CINR moyen est de 7,14. Une augmentation de 0,09 dB est obtenue par rapport à ceux

de la CA contiguës intra-bande. Ainsi, la zone couverte par un CINR supérieur à 15 dB est de 7,6

%. Ce qui explique la différence de 0.681 Mbps entre les débits moyens.

67

Figure 4.07 : Niveau de CINR - CA non-contiguës intra-bande

4.3.4 Agrégation de porteuses inter-bandes

La difficulté de la technique de la CA se pose au niveau de l’agrégation de deux porteuses dans deux

bandes différentes. On a combiné une porteuse de 10 MHz dans la bande 3 avec une bande de 10

MHz dans la bande 7 (2600 MHz).

Figure 4.08 : Couverture par débit – CA inter-bande

68

Une légère diminution est apparue au niveau du débit par rapport aux autres types déjà étudiés, le

débit moyen est de 28,982 Mbps et 16,64% de la zone couverte peut profiter d’un débit supérieur à

50 Mbps.

Le niveau de CINR montré sur la figure 4.09 affiche le même niveau que ceux de la CA non

contiguës intra-bandes.

La perte de propagation est différente selon la bande utilisée, donc les zones de couverture de la

PCell (1800MHz) et de la SCell (2600MHz) sont différentes (figure 4.10). On a ici le cas du scénario

2 du paragraphe 3.4. La diminution du débit provient alors de ces zones en vert (couverture PCell

uniquement) qui ne peut pas profiter de la CA, donc le débit des UE présents dans ces zones est le

même que ceux de la LTE de 10MHz.

Figure 4.09 : Niveau de CINR - CA inter-bande

69

Figure 4.10 : Couverture PCell et SCell – CA inter-bande

4.3.5 Une porteuse de 20 MHz

Par rapport à une bande de 20MHz mais fragmentée en deux CCs de 10 MHz, on va regarder le cas

d’une porteuse unique de 20 MHz.

Figure 4.11 : Couverture par débit – bande LTE 20 MHz

70

Vu sur la figure 4.11, le débit est amélioré et devient 31,799 Mbps et 19,55% de la surface de

couverture peut en avoir plus de 50 Mbps.

Figure 4.12 : Niveau de CINR – bande LTE 20 MHz

D’après la figure 4.12, le niveau du CINR (moyenne de 7,24 dB) est le meilleur par rapport aux

autres bandes passantes de 20MHz déjà étudiées. Avec une bande compacte de 20 MHz, le niveau

d’interférence diminue parce que l’allocation des PRBs devient optimale par rapport à une bande de

10 MHz.

4.3.6 Agrégation de trois porteuses de 10 MHz

Le cas de 3CC est étudié ici sur le débit uniquement afin de mettre en évidence l’optimisation du

réseau 4G en termes de débit par rapport à ceux étudiés (10MHz et 20MHz).

La figure 4.13 montre bien encore l’optimisation apportée par la CA. Le débit moyen est de 45,14

Mbps et la zone couverte par un débit supérieur à 50 Mbps s’est augmentée à 27,7%.

On peut tirer de ce dernier cas que la CA peut utiliser les bandes de fréquences sous-exploitées par

un opérateur en les transformant en fréquence de la SCell pour optimiser le réseau 4G déjà existant.

71

Figure 4.13 : Couverture par débit – bande de 30MHz

4.4 Discussions

Suite à tous ces cas étudiés, on peut dire que la mise en service de la CA est importante pour

augmenter la capacité du réseau. La différence entre les trois types n’est pas majeure mais il faut

considérer les ressources matérielles ainsi que les ressources spectrales disponibles. La plus mieux

c’est avoir une bande de 20 MHz LTE sans agrégation mais c’est difficile d’en avoir à cause de la

petitesse de la ressource par rapport aux nombres des opérateurs exploitants. Le tableau 4.02 montre

le CINR et le débit moyen de la zone couverte par les trois sites.

Types de CA CINR (dB) Débit (Mbps)

LTE 10 MHz 15,853

(10 + 10) MHz contiguës 7,05 30,877

(10 + 10) MHz non contiguës 7,14 31,558

(10 +10) MHz inter bande 7,14 28,982

LTE 20 MHz 7,24 31,799

LTE-A 30 MHz 45,914

Tableau 4.02: Comparaison de CINR et débit moyens de la zone de couverture des trois sites

72

4.5 Conclusion

Dans ce chapitre, on a vu l’objet fondamental de ce mémoire. On a vu l’impact positif de la CA sur

le débit du réseau 4G. On a pris plusieurs cas comme la CA inter bande, la CA non contiguës intra

bande et la CA contiguës intra bande.

73

CONCLUSION GENERALE

Dans ce mémoire, nous avons essayé de montrer l’impact de la technique de CA sur le réseau 4G

LTE. On a vu une amélioration importante sur le débit, mais cette amélioration n’est pas le même

selon le type de CA à réaliser. L’optimisation le plus considérable est trouvée avec la CA contiguës

intra bandes avec une amélioration du CINR. Cette performance s’est diminuée pour le cas de la

CA inter bandes à cause de la faible couverture de la SCell.

Nous avons vu les généralités sur les réseaux mobiles pour avoir les connaissances nécessaires sur

les générations de la radiocommunication mobile ainsi que le principe du concept cellulaire et ce

qu’il faut savoir sur la propagation des ondes radio. Nous avons présenté les détails de la technologie

LTE et les nouveaux concepts apportés par la LTE-A comme l’agrégation de porteuses. Cette

technique fait l’objet de ce mémoire, nous avons regardé ses types ainsi que les modifications

introduites dans le réseau pour mettre en service la CA.

A travers la simulation, nous avons pu voir l’importance de l’implémentation de la CA avec

l’agrégation d’une bande de 10 MHz avec une bande de 10 MHz existante utilisée par la LTE. Le

débit moyen a doublé. Ce débit moyen avec une bande de 20 MHz fragmentée est inférieur à ceux

d’une seule porteuse de 20 MHz à cause de l’interférence. On a regardé le débit avec une agrégation

de trois porteuses de 30 MHz et le débit a beaucoup augmenté. Cette technique s’avère donc l’une

des avenirs pour augmenter la performance des réseaux mobiles à venir.

Dans la norme LTE-A release 10, 11, 12, l’utilisation de la CA s’est limitée jusqu’à 5 CCs.

Cependant, avec l’augmentation exponentielle sans cesse du trafic, c’est nécessaire d’utiliser plus

de 5 CCs mais les ressources fréquentielles sont rares. Un élément de travail clé est donc

l’exploitation de spectre sans licence et l’interfonctionnement des réseaux LTE et WiFi.

74

ANNEXE 1 LISTE DES BANDES EUTRA

Band Duplex Fréquence Uplink

(MHz)

Downlink

(MHz)

Duplex

spacin

g

Channel bandwidths

(MHz) (MHz)

1 FDD 2100 1920 – 1980 2110 – 2170 190 5, 10, 15, 20

2 FDD 1900 1850 – 1910 1930 – 1990 80 1.4, 3, 5, 10, 15, 20

3 FDD 1800 1710 – 1785 1805 – 1880 95 1.4, 3, 5, 10, 15, 20

4 FDD 1700 1710 – 1755 2110 – 2155 400 1.4, 3, 5, 10, 15, 20

5 FDD 850 824 – 849 869 – 894 45 1.4, 3, 5, 10

7 FDD 2600 2500 – 2570 2620 – 2690 120 5, 10, 15, 20

8 FDD 900 880 – 915 925 – 960 45 1.4, 3, 5, 10

10 FDD 1700 1710 – 1770 2110 – 2170 400 5, 10, 15, 20

11 FDD 1500 1427.9– 1447.9 1475.9– 1495.9 48 5, 10

12 FDD 700 699 – 716 729 – 746 30 1.4, 3, 5, 10

13 FDD 700 777 – 787 746 – 756 −31 5, 10

14 FDD 700 788 – 798 758 – 768 −30 5, 10

17 FDD 700 704 – 716 734 – 746 30 5, 10

18 FDD 850 815 – 830 860 – 875 45 5, 10, 15

19 FDD 850 830 – 845 875 – 890 45 5, 10, 15

20 FDD 800 832 – 862 791 – 821 −41 5, 10, 15, 20

21 FDD 1500 1447.9– 1462.9 1495.9 – 1510.9 48 5, 10, 15

22 FDD 3500 3410 – 3490 3510 – 3590 100 5, 10, 15, 20

24 FDD 1600 1626.5– 1660.5 1525 – 1559 −101.5 5, 10

25 FDD 1900 1850 – 1915 1930 – 1995 80 1.4, 3, 5, 10, 15, 20

75

26 FDD 850 814 – 849 859 – 894 45 1.4, 3, 5, 10, 15

27 FDD 800 807 – 824 852 – 869 45 1.4, 3, 5, 10

28 FDD 700 703 – 748 758 – 803 55 3, 5, 10, 15, 20

30 FDD 2300 2305 – 2315 2350 – 2360 45 5, 10

31 FDD 450 452.5– 457.5 462.5 – 467.5 10 1.4, 3, 5

33 TDD 2100 1900 – 1920 N/A 5, 10, 15, 20

34 TDD 2100 2010 – 2025 N/A 5, 10, 15

35 TDD 1900 1850 – 1910 N/A 1.4, 3, 5, 10, 15, 20

36 TDD 1900 1930 – 1990 N/A 1.4, 3, 5, 10, 15, 20

37 TDD 1900 1910 – 1930 N/A 5, 10, 15, 20

38 TDD 2600 2570 – 2620 N/A 5, 10, 15, 20

39 TDD 1900 1880 – 1920 N/A 5, 10, 15, 20

40 TDD 2300 2300 – 2400 N/A 5, 10, 15, 20

41 TDD 2500 2496 – 2690 N/A 5, 10, 15, 20

42 TDD 3500 3400 – 3600 N/A 5, 10, 15, 20

43 TDD 3700 3600 – 3800 N/A 5, 10, 15, 20

Tableau A1.01 : Liste des bandes EUTRA

76

BIBLIOGRAPHIE

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78

FICHE DE RENSEIGNEMENTS

Nom : RAKOTOARIMALALA

Prénoms : Fenitra Koloina Ruddy Harris

Adresse de l’auteur : Lot IVA 22 ARIVONIMAMO

Tel : +261 32 97 954 16

E-mail : [email protected]

Titre du mémoire :

«OPTIMISATION DU RESEAU 4G PAR AGREGATION DE PORTEUSE»

Nombre de pages : 78

Nombre de tableau : 10

Nombre de figures : 34

Directeur de mémoire :

Nom : RAVALIMINOARIMALALASON

Prénom : Toky Basilide

Tel : +261 34 00 164 33

RESUME

L’agrégation de porteuses (CA) est un composant technologique essentiel de LTE-Advanced (LTE-

A). Le CA est capable de combiner jusqu'à cinq porteuses LTE (Long Term Evolution) à utiliser

pour les transmissions multi-porteuses à la fois en liaison descendante et montante. CA fournit des

débits accrus, une capacité supplémentaire et des possibilités d'équilibrage de la charge. L’objectif

de ce mémoire est de montrer les principales caractéristiques de la CA. Les résultats des mesures de

performance sont analysés et présentés.

Mots clés : Agrégation de porteuses, LTE, LTE-A, débit, bande passante.

ABSTRACT

Carrier aggregation (CA) is an essential technological component of LTE-Advanced (LTE-A). The

CA is capable of combining up to five LTE (Long Term Evolution) carriers for use in both downlink

and uplink multi-carrier transmissions. CA provides increased throughput, extra capacity and load

balancing capabilities. The purpose of this thesis is to show the main characteristics of the CA. The

results of the performance measures are analyzed and presented.

Keywords: Carrier aggregation, LTE, LTE-A, throughput, bandwidth.

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES En vue de l’obtention

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