Cycle de formation des ingénieurs en Télécommunications

Option:

Wireless Network and Communications (WINCOM)

Rapport de Projet de fin d’études

Thème :

Outil de planification et de

dimensionnement dans l’E-UTRAN LTE-

Advanced

Réalisé par :

Ali LASSOUED

Encadrants:

M. Hichem BESBES

Mme. Sarra DALY

Travail proposé et réalisé en collaboration avec

Ericsson AB branche Tunisie

Année universitaire : 2011/2012

Page | 1

Encadreur à Sup’Com

Encadreur à Ericsson

Signatures

Page | 2

Remerciements

Ce présent travail a été élaboré dans le cadre de mon projet de fin d’études d’ingénieur en

télécommunications, option WINCOM, à l’école supérieure des communications de Tunis

(SUP’COM). Ce projet a été réalisé en collaboration avec Ericsson AB branche Tunisie.

Au terme de ce travail, je voudrais exprimer mes sincères remerciements à tous ceux qui m’ont

aidé à réaliser ce projet dans les meilleures conditions.

Je tiens, tout d’abord, à remercier Monsieur Hichem BESBES, Professeur à SUP’COM, pour

m’avoir donné la chance de faire mon projet de fin d’étude au sein d’une entreprise

multinationale, Leader dans le marché de télécommunication, et l’intérêt qu’il a donné à mon

projet.

J’adresse ma profonde gratitude à Mme Sarra DALY, Manager et Chef département Education à

Ericsson, pour m’avoir bien accueilli au sein de son département, son aide, sa disponibilité

permanente et son soutien.

J’adresse aussi ma plus vive reconnaissance à tous mes enseignants de SUP’COM pour la

formation qu’ils m’ont donné ainsi qu'aux membres de jury pour l’honneur qu’ils m’ont fait en

acceptant de juger mon travail.

Je remercie, enfin, ma famille et mes amis pour leur soutien durant mes études à SUP’COM.

Page | 3

Dédicaces

Pour Mohamed, le prophète de l’Islam.

Page | 4

Résumé

La naissance du standard LTE du consortium 3GPP, n’a pas été une solution pour les

exigences imposées par l’Union Internationale des Télécommunications en termes de débit et

d’efficacité spectrale, ce n’était qu’un pas vers la 4ème génération des réseaux cellulaires. D’où la

nécessité d’évoluer vers LTE-Advanced. Cette évolution est caractérisée par un rythme accéléré,

bien évidement par l’apparition de LTE Rel-8, Rel-9, Rel-10 et bientôt Rel-11. A ce stade, et afin

de bien mener le marché concurrentiel, un opérateur télécom se trouve obligé à déployer la

technologie la plus performante, qui répond le plus aux exigences du marché et les demandes de

la clientèle en matière de QoS.

Comme pour tout autre réseau cellulaire, une planification robuste, particulièrement du réseau

d’accès, permet d’éviter des coûts inutiles pouvant être assumés pendant le démarrage de

l’exploitation. Ainsi, Le besoin envers un outil de planification évolutif, qui accompagne cette

évolution semble imminent.

Dans le cadre de ce projet de fin d’études, élaboré à Sup’Com et parrainé par Ericsson-Tunisie,

nous proposons d’élaborer la version V 1.0 d’un outil de planification et dimensionnement dans

l’E-UTRAN du réseau LTE-Advanced, baptisé SmartPlanner 1.0. Cet outil tient compte des

nouvelles techniques adoptées dans la norme 3GPP LTE et LTE-A, à savoir : OFDM, MIMO,

CoMP, agrégation de porteuses, etc.

Mots clés : LTE/LTE-Advanced, MIMO, CoMP, agrégation de porteuses, planification,

dimensionnement, couverture, bilan de liaison, capacité, modèle de trafic, eNodeB, X2, S1.

Page | 5

Tables des matières

Remerciements ....................................................................................................................................... 2

Dédicaces ................................................................................................................................................. 3

Résumé .................................................................................................................................................... 4

Tables des matières ................................................................................................................................. 5

Liste des figures ....................................................................................................................................... 8

Liste des tableaux .................................................................................................................................. 10

Liste des abréviations ............................................................................................................................ 11

Introduction générale ............................................................................................................................ 12

Chapitre 1 Introduction à LTE-Advanced .............................................................................................. 14

Introduction ....................................................................................................................................... 14

I. Evolution vers LTE-Advanced .................................................................................................... 14

II. Innovations techniques en LTE-Advanced ................................................................................. 16

1. Agrégation de porteuses ....................................................................................................... 16

2. Le Concept Coordonné multipoints (CoMP) ......................................................................... 17

2.1. Motivation ..................................................................................................................... 17

2.2. CB/CS (Coordinated BeamForming/Coordinated Scheduling) pour le lien descendant

18

2.3. Joint Transmission pour le sens descendant ................................................................. 20

2.4. Dynamic Cell Selection : DCS pour le sens descendant ................................................. 21

3. Les Nœuds Relais ................................................................................................................... 22

4. Les réseaux hétérogènes (HetNet) ........................................................................................ 23

III. LTE E-UTRAN : Spécifications Techniques ............................................................................. 24

1. Architecture de l’E-UTRAN .................................................................................................... 24

2. L’interface air ......................................................................................................................... 25

2.1. OFDMA .......................................................................................................................... 25

2.2. SC-FDMA ........................................................................................................................ 26

2.3. Structure de la trame .................................................................................................... 27

2.4. Bloc de ressources et élément ressource ...................................................................... 27

2.5. Les Canaux et les signaux Physiques ............................................................................. 28

3. Les techniques MIMO améliorées ......................................................................................... 29

Page | 6

3.1. Généralités .................................................................................................................... 30

3.2. Diversité de transmission .............................................................................................. 30

3.3. Multiplexage Spatial ...................................................................................................... 31

4. Modulation et codage adaptatifs .......................................................................................... 32

Conclusion ......................................................................................................................................... 32

Chapitre 2 Planification dans l’E-UTRAN .............................................................................................. 33

Introduction ....................................................................................................................................... 33

I. Les étapes de planification dans l’E-UTRAN .............................................................................. 33

II. Dimensionnement de l’eNodeB ................................................................................................ 35

1. Planification orientée couverture......................................................................................... 35

1.1. Bilan de liaison radio ..................................................................................................... 36

1.1.1. Formule générale .................................................................................................. 36

1.1.2. Calcul de la sensibilité du récepteur...................................................................... 38

1.1.3. Marges ................................................................................................................... 42

1.1.3.1. Marge de pénétration ....................................................................................... 42

1.1.3.2. Marge de Shadowing ......................................................................................... 42

1.1.3.3. Marge d’interférence ........................................................................................ 43

1.1.3.4. Marge de planification ...................................................................................... 43

1.2. Modèle de propagation RF ............................................................................................ 44

1.2.1. Propagation en espace libre .................................................................................. 44

1.2.2. Modèle COST-231 Walfisch-Ikegami ..................................................................... 45

1.2.3. Modèle Okumura-Hata .......................................................................................... 46

1.2.4. Modèle COST-231 Hata ......................................................................................... 47

1.2.5. Modèle Erceig Greenstein ..................................................................................... 47

1.3. Calcul du nombre de site en se basant sur le bilan de liaison ....................................... 48

2. Planification orientée capacité .............................................................................................. 49

2.1. Calcul de l’efficacité de la bande spectrale ................................................................... 50

2.2. Calcul de la capacité de la cellule .................................................................................. 55

2.3. Modèle de trafic et estimation du nombre d’abonnées ............................................... 59

2.4. Détermination du nombre des sites requis ................................................................... 61

3. Nombre final d’eNodeBs requis ............................................................................................ 61

III. Dimensionnement de l’interface S1 & X2 ............................................................................. 61

1. L’interface X2 ......................................................................................................................... 61

2. L’interface S1 ......................................................................................................................... 63

Page | 7

Conclusion ......................................................................................................................................... 64

Chapitre 3 Conception et développement de l’outil ............................................................................ 65

Introduction ....................................................................................................................................... 65

I. Modélisation de l’outil .............................................................................................................. 65

1. Structure globale et fonctionnalités ...................................................................................... 65

2. Diagramme de cas d’utilisation ............................................................................................. 67

3. Diagramme de séquence ....................................................................................................... 67

4. Technologies utilisées............................................................................................................ 68

4.1. Java Netbeans ................................................................................................................ 68

4.2. E-Draw ........................................................................................................................... 68

4.3. L’API JfreeChart ............................................................................................................. 69

4.4. L’API iText ...................................................................................................................... 69

II. Développement de l’outil .......................................................................................................... 69

1. Le menu Accueil..................................................................................................................... 69

2. Le menu principal .................................................................................................................. 70

2.1. L’onglet Modèle de propagation ................................................................................... 71

2.2. L’onglet paramétrage émetteurs/récepteurs ............................................................... 71

2.3. L’onglet environnement radio ....................................................................................... 72

2.4. L’onglet paramétrage système ...................................................................................... 73

2.5. L’onglet calcul de sensibilité .......................................................................................... 75

2.6. L’onglet prédiction de trafic .......................................................................................... 75

2.7. L’onglet calcul de la capacité de la cellule ..................................................................... 76

2.8. L’onglet affichage des résultats de dimensionnement ................................................. 77

2.9. L’onglet statistiques et évaluation des coûts ................................................................ 77

2.10. L’onglet About ........................................................................................................... 80

Conclusion ......................................................................................................................................... 81

Conclusion générale & perspectives ..................................................................................................... 82

Bibliographie.......................................................................................................................................... 84

Annexe 1 ................................................................................................................................................ 85

Annexe 2 ................................................................................................................................................ 86

Annexe 3 ................................................................................................................................................ 87

Page | 8

Liste des figures

Figure 1.1 Evolution vers LTE-Advanced ............................................................................................... 15

Figure 1.2 Processus Itératif de standardisation ................................................................................... 15

Figure 1.3 Evolution vers LTE Rel-10 ..................................................................................................... 15

Figure 1.4 Component Carrier de LTE Rel-10 / Largeur de bande du canal LTE Rel-8 .......................... 16

Figure 1.5 Agrégation de porteuses à composantes contigües ............................................................ 16

Figure 1.6 Multiplexage dans la transmission multi-CC ........................................................................ 17

Figure 1.7 Lobes intracellulaires et lobes interférents .......................................................................... 19

Figure 1.8 Diagramme de séquence simplifié de coordination de BF ................................................... 20

Figure 1.9 Exemple simplifié de JT-CoMP ............................................................................................. 21

Figure 1.10 Exemple simplifié de DCS-CoMP ........................................................................................ 21

Figure 1.11 Nœuds relais ....................................................................................................................... 23

Figure 1.12 Architecture de l’E-UTRAN ................................................................................................. 24

Figure 1.13 Nombre de sous-porteuses pour différentes bandes spectrales ....................................... 25

Figure 1.14 L’opération OFDM et le symbole OFDM ............................................................................ 26

Figure 1.15 L’opération SC-FDMA ......................................................................................................... 26

Figure 1.16 Différence entre SC-FDMA (à gauche) et OFDMA (à droite) .............................................. 26

Figure 1.17 Structure de la trame radio type 1 (FDD) ........................................................................... 27

Figure 1.18 Bloc de ressources (PRB) et élément ressource (RE) ......................................................... 28

Figure 1.19 SU-MIMO (à gauche) et MU-MIMO (à droite) ................................................................... 30

Figure 1.20 Principe de SFBC ( = 2) ................................................................................................... 31

Figure 1.21 Principe de multiplexage spatial ( = 2) ........................................................................... 31

Figure 1.22 Techniques de modulation en LTE ..................................................................................... 32

Figure 2.1 Processus de planification radio ........................................................................................... 33

Figure 2.2 Processus de dimensionnement .......................................................................................... 35

Figure 2.3 Solution proposée pour le dimensionnement de couverture .............................................. 36

Figure 2.4 Diagramme en bloc du simulateur de Lien pour LTE-A ........................................................ 40

Figure 2.5 La variation du SINR requis en fonction du nombre de blocs de ressources alloués........... 41

Figure 2.6 Inputs pour le calcul du MAPL .............................................................................................. 44

Figure 2.7 Site mono-sectorisé (à gauche), site bi-sectorisé (au milieu) et site tri-sectorisé (à droite) 49

Page | 9

Figure 2.8 Principe de la planification orientée capacité ...................................................................... 50

Figure 2.9 Exemple de répartition de la grille des ressources en DL LTE-A .......................................... 51

Figure 2.10 Signaux de référence en UL ................................................................................................ 52

Figure 2.11 Signaux de synchronisation pour DL .................................................................................. 52

Figure 2.12 Le canal PBCH pour le DL .................................................................................................... 53

Figure 2.13 Exemple de mapping des canaux PDCCH, PHICH et PCFICH ............................................. 54

Figure 2.14 Schéma simplifié de répartition des MCS selon la distance ............................................... 56

Figure 2.15 Comparaison entre l’évolution du SINR en fonction de la distance pour JT-CoMP et sans

CoMP, et calcul des ................................................................................................................ 57

Figure 2.16 Mesures de puissance des valeurs propres du canal ......................................................... 58

Figure 2.17 Schéma simplifié d’échange de message RESTRICTION REQUEST ..................................... 63

Figure 3.1 Logo de SmartPlanner .......................................................................................................... 65

Figure 3.2 Schéma synoptique simplifié de l’application ...................................................................... 66

Figure 3.3 Diagramme de cas d’utilisation ............................................................................................ 67

Figure 3.4 digramme de séquence simplifié ......................................................................................... 67

Figure 3.5 Le menu Accueil.................................................................................................................... 70

Figure 3.6 Les onglets du menu principal .............................................................................................. 70

Figure 3.7 Sélection du modèle de propagation ................................................................................... 71

Figure 3.8 Paramétrage eNodeB/UE ..................................................................................................... 72

Figure 3.9 Paramétrage de l’environnement radio ............................................................................... 73

Figure 3.10 Paramétrage système ......................................................................................................... 74

Figure 3.11 Bilan des OverHeads ........................................................................................................... 74

Figure 3.12 Calcul de la sensibilité ........................................................................................................ 75

Figure 3.13 Prédiction de trafic ............................................................................................................. 76

Figure 3.14 Calcul de la capacité ........................................................................................................... 76

Figure 3.15 Affichage des résultats ....................................................................................................... 77

Figure 3.16 Calcul de la capacité ........................................................................................................... 78

Figure 3.17 Statistiques et prévisions.................................................................................................... 80

Figure 3.18 onglet ‘About’ ..................................................................................................................... 80

Page | 10

Liste des tableaux

Tableau 1.1 Nombre de PRB par CC en fonction de la bande disponible ............................................. 28

Tableau 2.1 Paramètres du bilan de liaison radio ................................................................................. 37

Tableau 2.2 Paramètres pour le calcul du la PIRE ................................................................................. 38

Tableau 2.3 Paramètres pour le calcul de la sensibilité de réception ................................................... 38

Tableau 2.4 en fonction de la charge de la cellule .................................................................... 43

Tableau 2.5 Modèle COST-231 Walfisch-Ikegami ................................................................................. 46

Tableau 2.6 Modèle Okumura-Hata ...................................................................................................... 46

Tableau 2.7 Modèle COST 231 Hata ...................................................................................................... 47

Tableau 2.8 Paramétrage des terrains pour le modèle Erceig-Greenstein ........................................... 48

Tableau 2.9 Empreinte du site en fonction du nombre de secteurs ..................................................... 49

Tableau 2.10 Densité des RS en fonction de la configuration MIMO ................................................... 51

Tableau 2.11 Nombre de PRB alloués au canal PUCCH ......................................................................... 54

Tableau 2.12 Récapitulatif de l’OverHead pour chaque CC en LTE-A ................................................... 55

Tableau 2.13 selon le MCS .................................................................................................. 57

Tableau 2.14 Exemple de modèle de trafic ........................................................................................... 60

Tableau 2.15 Récapitulatif du protocole X2AP pour LTE ....................................................................... 62

Page | 11

Liste des abréviations 3GPP Third Generation Partnership Project ACK Acknowledgement (in ARQ protocols) AMC Adaptive Modulation and Coding ARQ Automatic Repeat-reQuest AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit-Error Rate BLER Block-Error Rate CA Carrier Aggregation CC Component Carrier CoMP Coordinated Multi-Point transmission/reception CP Cyclic Prefix CQI Channel-Quality Indicator CRS Cell-specific Reference Signal CSI Channel-State Information CSI-RS CSI reference signals DL Downlink DL-SCH Downlink Shared Channel DM-RS Demodulation Reference Signal DTCH Dedicated Traffic Channel eNodeB E-UTRAN NodeB EPC Evolved Packet Core E-UTRA Evolved UTRA FACH Forward Access Channel FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency-Division Multiple Access HARQ Hybrid ARQ HSDPA High-Speed Downlink Packet Access HSPA High-Speed Packet Access ICIC Inter-Cell Interference Coordination IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IRC Interference Rejection Combining UIT Union Internationale des Télécommunications LTE Long-Term Evolution MAC Medium Access Control MBMS Multimedia Broadcast/Multicast Service MCS Modulation and Coding Scheme MIB Master Information Block MIMO Multiple-Input Multiple-Output MME Mobility Management Entity MMSE Minimum Mean Square Error MRC Maximum Ratio Combining MU-MIMO Multi-User MIMO NAK, NACK Negative Acknowledgement OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiple Access PAPR Peak-to-Average Power Ratio PBCH Physical Broadcast Channel

PCCH Paging Control Channel PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PCH Paging Channel PDA Personal Digital Assistant PDCCH Physical Downlink Control Channel PDSCH Physical Downlink Shared Channel PF Proportional Fair (ordonnanceur) PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel PMI Precoding-Matrix Indicator PRACH Physical Random Access Channel PRB Physical Resource Block PS Packet Switched PSS Primary Synchronization Signal PUCCH Physical Uplink Control Channel PUSCH Physical Uplink Shared Channel QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality-of-Service QPSK Quadrature Phase-Shift Keying RACH Random Access Channel RAN Radio Access Network RB Resource Block RE Resource Element RF Radio Frequency RI Rank Indicator RLC Radio Link Control RS Reference Symbol RX Receiver S1 The interface between eNodeB and the Evolved Packet Core. SAE System Architecture Evolution SDMA Spatial Division Multiple Access SFBC Space-Frequency Block Coding SIB System Information Block SIC Successive Interference Combining SINR Signal-to-Interference-and-Noise Ratio SNR Signal-to-Noise Ratio SSS Secondary Synchronization Signal SU-MIMO Single-User MIMO TDD Time-Division Duplex TDMA Time-Division Multiple Access TF Transport Format TTI Transmission Time Interval TX Transmitter UE User Equipment UL Uplink UL-SCH Uplink Shared Channel UMTS Universal Mobile Telecommunications System X2 The interface between eNodeBs. ZF Zero Forcing

Page | 12

Introduction générale

En 1896, Guglielmo Marconi a réussi la première liaison à ondes hertziennes, lorsqu’il a

utilisé une communication à ondes électromagnétiques dans une application télégraphe. Cette

invention a encouragé la recherche dans le domaine des communications sans fil, jusqu’à 1947,

dans les États-Unis, précisément dans un laboratoire nommé Bell Labs, il y a eu naissance du

concept cellulaire. Et s’était l’origine d’une succession des réseaux radio mobiles, basés sur ce

concept.

Les réseaux radio mobiles sont généralement classés en générations, 1G (AMPS) est le système

radio mobile analogique dans les années 1980, 2G le premier système radio mobile numérique,

3G le premier système large bande. LTE Rel-8 est le portail vers les réseaux de 4ème génération

(soit 3.9 G), et LTE-Advanced est réellement le premier réseau 4G, et ce n’est plus le dernier pas

de standardisation dans le processus de l’évolution à long terme boostée par le 3GPP.

Pendant la dernière décennie, les évolutions du domaine de télécommunications, ont

explosé une nouvelle gamme de service qui a écarté les services classiques et qui a changé d’une

façon remarquable le comportement et les préférences d’un client, avec l’émergence des nouvelles

applications comme les jeux en lignes, TV mobile, partage des fichiers, Web 2.0, l’interactive

Streaming, etc. Ainsi, l’opérateur se trouve dans une situation où il est obligé à augmenter ses

capacités et à réduire le coût par bit. Ces exigences ont stimulé l’évolution des réseaux sans fil,

notamment les réseaux cellulaires, on parle ainsi du 3GPP Long Term Evolution (LTE) proposé

pour répondre à ces besoins en matière de capacité, fiabilité, délai, et disponibilité.

Dans ce cadre, les chercheurs et les organisations de standardisation ont doublé leurs efforts pour

se mettre en phase avec la prolifération du marché. Pour régler les activités de recherche, l’Union

Internationale des Télécommunication-Secteur Radio Communication (UIT-R) a défini le

concept et les exigences de l’IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication) pour la

migration vers 4G.

Contrairement aux autres technologies de transmission, utilisant des supports physiques (câbles,

fibres optiques, etc.), les réseaux radio mobiles partagent un spectre radio limité, par

conséquence, un organisme de régulation doit intervenir pour organiser l’exploitation de ces

ressources, jugées rares. D’un autre côté, les organismes de standardisation se trouvent obligés à

équilibrer l’équation ci-dessous, dans le but d’arriver au débit demandé tout en respectant la

contrainte de la bande spectrale allouée. Ceci en développant convenablement le standard avec

l’efficacité spectrale adéquate.

Page | 13

Le processus d’évolution à long terme du 3GPP a engendré une succession de standards, LTE

Rel-8, Rel-9, Rel-10 et bientôt Rel-11, faisant intervenir des technologies avancées, à savoir

OFDM, MIMO, CoMP, l’agrégation de porteuses pour croiser avec les exigences de l’IMT-

Advanced (à partir de Rel-10).

A ce stade, et afin d’être le plus concurrent sur le marché, l’opérateur doit optimiser ses

ressources et savoir comment déployer cette nouvelle technologie tout en réduisant le coût et

maximisant la QoS. L’une des phases les plus importantes dans le cycle de vie d’un réseau

cellulaire est la planification, cette dernière doit être réalisée avec perfection pour éviter des coûts

supplémentaires inutiles pouvant être assumés lors du démarrage de l’exploitation,

particulièrement dans le réseau d’accès, nommé E-UTRAN en LTE-Advanced. Le besoin envers

un outil permettant à la fois la planification dans le réseau d’accès et le suivi de l’évolution rapide

de LTE, semble primordial. Le but ainsi de ce projet est de créer un outil de planification et

dimensionnement dans l’E-UTRAN LTE-Advanced.

Ce projet est organisé en 3 chapitres :

Le premier chapitre présente un aperçu général sur le réseau LTE-Advanced, son architecture, ses

spécifications techniques, principalement l’interface air et les innovations apportées par rapport

LTE.

Le deuxième chapitre est consacré pour la planification et le dimensionnement dans les réseaux

des nouvelles générations, où nous allons expliquer le processus de planification dans le réseau

d’accès en LTE/LTE-Advanced, et nous allons étudier et proposer une solution pour la

planification orientée couverture et orientée capacité.

Le troisième contient un descriptif détaillé de l’outil de planification radio et de

dimensionnement, ses utilitaires et son principe de fonctionnement.

Finalement, une conclusion générale, contenant les grandes lignes de ce qui mérite une attention

particulière de la part des lecteurs.

Régulations &

Licences par UIT-R Technologies &

Standards

Page | 14

Chapitre 1

Introduction à LTE-Advanced

Introduction

Le monde des réseaux radio mobiles étant en constante évolution, stimulé par une

explosion de demande vers ses technologies et par l’émergence des nouveaux services, le 3GPP

accélère le processus de standardisation, pour répondre à ce besoin astreignant des deux côtés :

opérateur et consommateur, tout en se basant sur les règles et la démarche tracée par l’Union

Internationale des Télécommunication. La stratégie mise en place par le 3GPP est donc Long

Term Evolution, qui a commencé avec LTE Rel-8 en allant jusqu’à Rel-10 ou LTE-Advanced. Ce

dernier est l’objet de ce premier chapitre, où nous allons présenter une étude introductive portant

sur les spécifications techniques de ce standard en trois grandes phases: l’évolution vers 4G,

présentation des innovations apportées par LTE-A et enfin une étude détaillée de la couche

physique de l’interface air relative à LTE, pouvant éventuellement être utile plus tard dans ce

travail. Ce chapitre est la compilation d’un certains nombres de références bibliographiques : [1,

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].

I. Evolution vers LTE-Advanced

Le secteur des communications mobiles a significativement reconnu un succès dans la

société d’aujourd’hui. En 2010, le nombre des abonnés dans les réseaux mobiles a dépassé les 5

milliards, et le revenu annuel global va très prochainement atteindre 1 trillion de Dollars $ [1].

Ces chiffres apparaissent d’un côté prometteurs et encourageants à investir dans le secteur, et

d’un autre côté mettent l’opérateur sous pression, pour se soucier de ses capacités et la qualité de

ses prestations. L’augmentation de la demande envers les services data mobile est boostée par la

loi de Moore des semi-conducteurs, cette dernière conduit d’une façon continue vers des

terminaux mobiles à haute performance, à grande capacité de mémoire et de traitement, ce qu’on

appelle les Smartphones. De plus, le défi pour l’opérateur est de bien mener la concurrence avec

la technologie xDSL pour un accès à internet, avec plus de débit et de mobilité.

Les enquêtes menées par l’UIT dans ce propos, conduisent à une stratégie et un ensemble

des exigences résumées dans la figure 1.1 :

Page | 15

Figure 1.1 Evolution vers LTE-Advanced [2]

Autrement dit, l’évolution vers 4G nécessite un débit de 1 Gbps pour le Downlink et 500 Mbps

pour l’Uplink, ce qu’on appelle les objectifs de l’IMT-Advanced. Cette dernière a subit deux

réactions, l’une de la part de l’IEEE avec une proposition d’un standard IEEE 802.16m et une

autre de la part de 3GPP avec LTE-Advanced (E-UTRAN Rel-10). Pour le cas de 3GPP, la

stratégie adoptée pour développer le standard solution, qui coïncide avec les contraintes et les

besoins défini ci-dessus, est la suivante :

Figure 1.2 Processus Itératif de standardisation

Le travail en 3GPP sur les exigences de l’IMT-Advanced a commencé depuis 2008,

jusqu’à mars 2011 [2], où le premier standard basé sur LTE-Advanced (LTE Rel-10) a vu le jour

(voir figure 1.3). Ce dernier contient des innovations techniques, on en peut citer par exemple

l’agrégation des porteuses, MIMO amélioré, les nœuds relais (RN), etc. que nous allons présenter

plus tard dans ce chapitre. Il correspond au premier pas, et ce n’est pas le dernier, dans le

processus de l’évolution LTE vers 4G, car il est prévu bientôt avoir des améliorations au niveau

du concept d’agrégation de porteuses en LTE Rel-11.

Figure 1.3 Evolution vers LTE Rel-10 [2]

Page | 16

II. Innovations techniques en LTE-Advanced

1. Agrégation de porteuses

Dans le but de satisfaire l’objectif imposé par IMT-Advanced, et atteindre la cible de 4G

fixée à 1 Gbps comme débit maximal en Downlink, le besoin vers une bande spectrale plus large

que celle employé en LTE s’avère indispensable [3]. Pour le moment, LTE Rel-8/9 supporte une

largeur de bande qui s’étend jusqu’à 20 MHz, ceci malheureusement, même avec l’amélioration

réalisée au niveau de l’efficacité spectrale du système ne permet pas d’atteindre le débit requis.

Donc, la seule solution est d’introduire une extension sur la largeur de bande du canal jusqu’à 100

MHz, dans le concept d’agrégation de porteuses (Carrier Aggregation : CA).

Ce concept est crée pour répondre principalement à deux besoin :

Garder la compatibilité du réseau avec les terminaux mobiles de LTE, en construisant

la bande de 100 MHz de LTE-Advanced avec un ensemble de bandes élémentaires de

largeur adéquate au canal en LTE Rel-8, ces bandes sont nommées Component

Carrier : CC, voir figure 1.4.

Figure 1.4 Component Carrier de LTE Rel-10 / Largeur de bande du canal LTE Rel-8

L’absence d’une bande de 100 MHz contigus pour la plupart des opérateurs, est

considérée comme étant un obstacle selon l’UIT. Ainsi, la formation d’une bande de

100 MHz à travers l’agrégation de plusieurs CCs (Component Carrier) non contigües

est réalisable surtout lorsque les terminaux mobiles en LTE-A peuvent supporter

plusieurs chaînes d’émission/réception RF.

Figure 1.5 Agrégation de porteuses à composantes contigües

Component Carrier

Page | 17

Le schéma ci-dessus présente un cas d’agrégation de porteuses à 5 CC adjacentes (contigües), et

montre l’intérêt de ce concept dans le processus de migration vers LTE-Advanced, pouvant se

passer d’une façon transparente en tenant la compatibilité des terminaux de LTE, où ces derniers

exploitent une seule CC, alors que les terminaux LTE-Advanced bénéficient de ce qu’on appelle

une transmission multi-CC. Cet exemple peut être généralisé pour le cas d’agrégation de

porteuses à composantes non contigües.

A partir de la figure 1.5, on peut déduire que chaque Component Carrier est considérée

comme étant un canal du système LTE Rel-8. Ainsi, chacune des composantes doit contenir tous

les aspects de la couche physique1 et la pile protocolaire doit avoir une architecture fragmentée au

niveau de la couche physique, comme c’est schématisé dans la figure ci-dessous :

Figure 1.6 Multiplexage dans la transmission multi-CC

Une fois le bloc de transport est généré au niveau des protocoles supérieurs, la couche MAC

fragmente le bloc principal en blocs élémentaires, chacun sera mappé séparément sur une CC.

Ainsi, l’agrégation de porteuses peut tenir compte de l’état de canal entre les CCs (Canal large

bande en LTE) en séparant les formats de transmission (La modulation et le codage) et les

procédures HARQ entre les CCs. [4]

2. Le Concept Coordonné multipoints (CoMP)

2.1. Motivation

Dans le but d’augmenter remarquablement la capacité de la cellule, l’adoption d’un facteur

de réutilisation de fréquence (FRF) égal à un 1 s’avère souhaitable, en d’autres termes, les mêmes

ressources spectrales doivent être employées dans chaque cellule. Par conséquence, ce plan de

fréquence défavorise les utilisateurs situés sur les bordures de la cellule, car il engendre une

dégradation de leurs performances à cause des interférences provenant des cellules adjacentes, ce

phénomène est appelé l’interférence entre cellules (Inter Cell Interference : ICI).

Pour apparier à ce problème, trois approches sont à discuter :

Technique d’annulation (ICI cancellation) : c’est une solution a postériori pour

combattre les signaux interférents en employant des récepteurs à grandes capacités de

1 Les spécifications de la couche physique seront traitées plus tard dans ce chapitre.

Page | 18

traitement, disposant de plusieurs antennes réceptrice, capables à distinguer le signal

utile et annuler les composantes inutiles. Les détails peuvent être trouvés dans [5].

Technique de moyennage (ICI randomization) : à l’aide des séquences pseudo

aléatoires, deux à deux orthogonales, pour moyenner l’interférence sur toute la bande

spectrale disponible. Cette solution est inspirée de la technique d’accès CDMA, elle

est traitée en [5].

Technique de coordination (ICI coordination) : La coordination entre les cellules peut

être une solution pertinente pour ce genre de problème, dans le sens où les cellules

négocient entre elles l’exploitation des ressources partagées dans un but commun, qui

consiste à réduire le niveau d’interférence global dans la zone de coopération.

Récemment, les chercheurs ont été accentués sur les études comparatives entre les alternatives

précédemment décrites, et selon les contraintes données (architecture du l’e-UTRAN), la

technique de coordination semble la mieux adaptée et la plus convenable à résoudre le problème :

améliorer les performances sur les bordures de la cellule, tout en réduisant la complexité du

système, essentiellement du côté UE.

Les réseaux cellulaires classiques sont composés des cellules, qui opèrent d’une façon où

elles sont deux à deux indépendantes, sauf dans le cas des scénarios inévitables de Handover.

Ainsi, le déploiement de cette solution est possible à coût réduit. Par contre, quand le système

tend à implémenter des coopérations entre cellules, il y’a un risque d’une augmentation

significative au niveau de la complexité du réseau d’accès, spécialement l’interface X2, où

l’ensemble construit par ces interfaces s’appelle le Backhaul. La question qui se pose maintenant,

y’a-t-il d’autres options, autres que la coordination des cellules? Augmenter le nombre de sites,

adopter un plan de réutilisation de fréquence inférieur à 1, augmenter le nombre d’antennes dans

les émetteurs et les récepteurs, etc. peuvent réaliser les mêmes performances mais elles ne sont

pas moins coûteuse pour un opérateur. L’idée est donc d’investir dans la recherche pour trouver

un bon algorithme de coordination2, dans un thème reconnu par le nom coordonné multipoints

ou ‘Coordinated MultiPoint’ (CoMP).

2.2. CB/CS (Coordinated BeamForming/Coordinated Scheduling) pour

le lien descendant

L’idée de ce mécanisme, est de mettre à jour les eNodeBs, de manière où elles négocient

entre elles les vecteurs de formation de voies (ou BeamForming : BF) employés.

Les vecteurs de BF sont des pré-codeurs (un codeur employé pour pré-coder les symboles

informations avant les transmettre), utilisé pour modifier la phase et orienter le lobe dans une

direction privilégiée dans l’espace, de façon à réduire l’interférence entre les lobes provenant des

autres stations de base. Auparavant, cette technique a été employée pour séparer spatialement les

utilisateurs de la même cellule, en générant des flux de données séparés dans l’espace, appelés des

couches, pour créer en fin une technique d’accès multiple appelée SDMA (Space Division

Multiple Access).

2 Les algorithmes et schémas CoMP sont abordés dans 2.2, 2.3 et 2.4 de ce chapitre. Ils sont CB/CS (Coordinated

Beamforming/Coordinated Scheduling), DCS (Dynamic Cell Selection), JT (Joint Transmission).

Page | 19

Figure 1.7 Lobes intracellulaires et lobes interférents [6]

A partir de la figure 1.7, on remarque que lorsque les décisions de BF sont traitées dans

une cellule à base d’une approche ‘égoïste’ -qui ne tient compte que des informations des UE

locaux- produisent des interférences chez les UE dans les cellules voisines. Ainsi, il faut faire

intervenir les informations des UE des cellules appartenant à la même zone ou groupement de

coopération, que nous allons noter .3 On note la station de base appartenant au

groupement , est l’ensemble des stations de base interférentes, et sont

respectivement l’ensemble total des UE, et l’ensemble des UE ordonnancés faisant partie de la

station de base , ainsi . Le signal transmis depuis la station de base

s’exprime comme suit :

=

(1.1)

Avec est le vecteur BF de l’utilisateur , la puissance qui lui est allouée

est l’information qui lui est transmise (scalaire), est le nombre d’antennes dans la station de

base (On suppose que les terminaux mobiles ne disposent que d’une seule antenne). Le signal

reçu du UE servi par est le suivant :

= + +

(1.2)

Avec le vecteur canal de la station vu de la part de terminal mobile ,

vecteur canal de la cellule interférente , et bruit blanc additif gaussien de . Cette

équation montre que le signal reçu se décompose en trois composantes : un signal utile contenant

l’information, un signal interférant provenant de la même cellule et un signal provenant des

cellules voisines. Le rapport signal à bruit-plus-interférence de s’exprime donc comme suit :

=

(1.3)

3 Le groupement de cellules est indispensable lorsque la zone de déploiement est grande où le partage des informations

dans toutes les cellules est difficile à mettre en œuvre.

Page | 20

Avec =

(1.4)

=

(1.5)

et

présentent respectivement l’interférence entre les utilisateurs ordonnancés dans la

même cellule et l’interférence entre cellule. L’idée est donc de trouver un schéma de BF

permettant de maximiser le SINR tout en exploitant les informations du canal (CQI/PMI/RI)4

des UEs dans les cellules voisines. Ces informations sont échangées via l’interface le Backhaul

voir la figure 1.8.

Figure 1.8 Diagramme de séquence simplifié de coordination de BF

Le problème revient donc à résoudre la formule suivante (avec l’hypothèse de répartition

équitable de puissance):

=

[6] (1.6)

Les solutions à ce problème sont disponibles dans [7], où plusieurs schémas de BF sont abordés,

comme ZF (Zero Forcing), OC (Optimum Combining), Eigen BF, etc.

2.3. Joint Transmission pour le sens descendant

Pour le cas de Coordinated Beamforming/Coordinated Scheduling (CBCS), les

informations sur l’état du canal d’un terminal mobile donné sont partagées entre toutes les

cellules appartenant à l’ensemble de coopération et l’information n’existe que dans la station de

service. Par contre, dans le schéma de JT-CoMP, les données sont disponibles au niveau de

4 CQI : Channel Quality Indicator, PMI : Precoding Matrix Index (composé de Best Compagnion/Worst Compagnion), RI :

Rank Indicator

Page | 21

toutes les stations et elle est transmise de façon jointe. Ainsi, le canal PDSCH5 est composé de

plusieurs stations qui émettent simultanément.

Figure 1.9 Exemple simplifié de JT-CoMP

La station master, étant l’ancre ou la station de service, partage les données, destinées à

transmettre vers l’UE, avec toutes les stations de la zone de coopération. Cette opération doit se

dérouler en temps réel, pour ne pas introduire un délai supplémentaire et elle nécessite une

synchronisation temporelle des stations de bases coopérants. Le délai de transport via l’interface

X2 doit être négligeable, on a ainsi recours à la technologie de fibre optique (RoF). L’avantage

majeur d’une telle configuration consiste à la diversité spatiale que puisse introduire un réseau de

systèmes MIMO (Networked MIMO) espacés géographiquement. Selon [8], un gain important

au niveau de débit sur les bordures de la cellule : « L’interférence devient constructive, lorsqu’elle

contient un minimum d’information utile. »

2.4. Dynamic Cell Selection : DCS pour le sens descendant

Figure 1.10 Exemple simplifié de DCS-CoMP

5 Physical Downlink Shared Channel comme son nom l’indique, est un canal physique partagé pour l’émission de données

dans le sens descendant en 3GPP LTE.

Page | 22

La sélection dynamique de cellule (Dynamic Cell Selection : DCS) ressemble à JT-CoMP.

Le canal PDSCH est composé de toutes les stations constituant la zone de coopération, mais une

seule station peut émettre sur une sous-trame6 (sub-frame SF), cette station est dite active sur ,

et les autres sont dites passives sur . La station active change dynamiquement, selon les états

du canal de toutes les stations dans la zone CoMP (voir figure 1.10). Ce schéma CoMP réalise de

bonne performance selon [8], en le comparant d’un système non coopératif, où la transmission

de données n’est qu’à travers la station de service, même si cette dernière présente un canal

dégradé. La station master est celle qui décide le PDSCH actif, selon les informations reçues à

travers le Backhaul.

3. Les Nœuds Relais

L’un parmi les principales causes favorisant la migration vers 4G et LTE-A, est les débits

de données pouvant être atteints. Cependant, toutes les réseaux cellulaires souffrent d’un

problème commun qui consiste au faible débit pour les utilisateurs situés sur les bordures de la

cellule, ceci est dû au faible rapport signal à bruit-plus-interférence. Les technologies avancées

employées en LTE, telles que, MIMO, OFDM, Turbo Code, etc. sont capables à améliorer les

débits dans de nombreuses conditions, mais elles ne sont pas en mesure d’améliorer les

performances sur les bordures des cellules. Par conséquence, il est nécessaire de trouver des

solutions pour examiner le problème à faible coût, on parle des nœuds relais (Relay Node RN).

Un RN LTE-A est différent d’un répéteur simple qui reçoit et amplifie le signal pour le

retransmettre encore une fois (AF : Amplify and Forward). Un relais permet de recevoir,

démoduler, décoder, appliquer une correction d’erreur, etc. et ensuite retransmettre de nouveau le

signal (DF : Decode and Forward). De cette façon, il y’a amélioration à la fois de la couverture et

de qualité, contrairement aux nœuds AF qui amplifient le bruit et dégradent la qualité lorsqu’ils

sont utilisés dans les bordures des cellules. Le relais DF est un élément fixe de l’infrastructure, ne

dispose d’aucune connexion filaire Backhaul le séparant de l’eNodeB donateur (voir figure 1.11),

il s’intercale entre la station de service et l’UE, pour former un lien multi-sauts. En addition, les

RN permettent de densifier le réseau d’accès sans faire introduire une complexité pour les deux

raisons suivantes : d’un côté l’interface eNodeB-RN est sans fil, et d’un autre côté les RN sont de

tailles réduites, ce qui facilite leurs installations sur le plan pratique.

Un nœud relais est une méthode pratique pour remédier au problème des trous de couverture, à

condition que le RN soit installé dans un endroit approprié et équipé d’une antenne à gain élevé,

il sera en mesure de maintenir de bonnes communications et de fournir l’extension de la

couverture requise. On peut classer les RNs selon leurs modes de fonctions half duplex et full

duplex, de plus on peut en distinguer deux catégories :

In-band : Si le lien eNodeB-RN et le lien RN-UE utilisent la même bande spectrale.

6 SF : sub-frame est l’élément qui constitue la trame radio, elle est décomposée en 2 TTIs, pour plus de détails voir les

spécifications de la couche physique.

Page | 23

Out-band : Si le lien eNodeB-RN et le lien RN-UE n’utilisent pas la même bande

spectrale.

Figure 1.11 Nœuds relais

4. Les réseaux hétérogènes (HetNet)

Les réseaux hétérogènes, souvent appelés HetNet (Heterogeneous Network), ne

mentionne pas une technologie spécifique, mais ils correspondent à la technique de déploiement

multicouches. Autrement dit, plusieurs techniques d’accès, plusieurs formats de cellule, plusieurs

types de couverture sont mis en œuvre dans la même zone de déploiement. Le besoin découle du

fait que la plupart des zones de déploiement ont un certain degré d’hétérogénéité en termes

d’exigences de couverture de débits, de délai, etc. En effet, une macro cellule permet de réaliser le

plus grand rayon de couverture, une pico cellule ou femto cellule est caractérisée par une surface

de couverture plus petite, donc elle sert moins d’abonnées ce qui obéit à la contrainte de capacité.

L’idée est donc de déployer plusieurs formats de cellule dans la même zone, pour se garantir à la

fois :

De la capacité : en mettant en place une couche hotspot composés de plusieurs cellules à

tailles réduites (pico/femto) et des nœuds relais, ces derniers sont moins coûteuses, faciles

à installer et elles permettent en plus d’assurer la couverture à l’intérieur des bâtiments des

utilisateurs (bureaux, maisons, etc.)

De la couverture : en utilisant une macro cellule capable d’étendre la couverture dans la

zone entière.

Un utilisateur peut se connecter à un réseau de type HetNet selon la technologie qui répond le

plus à son besoin : ad hoc, Wifi, etc. HetNet est constitué donc d’une station macro qui coopère

avec plusieurs petites cellules de tailles réduites d’une façon transparente dans le but d’augmenter

la capacité et la couverture.

Page | 24

III. LTE E-UTRAN : Spécifications Techniques

1. Architecture de l’E-UTRAN

L’architecture du réseau d’accès n’a pas subit des modifications énormes en LTE-A, par

rapport à l’architecture en LTE SAE. L’unique évolution a été l’apparition du nœud relais qui

s’intercale entre l’UE et l’eNodeB, et son installation est optionnelle.

Figure 1.12 Architecture de l’E-UTRAN

L’architecture de l’E-UTRAN est plate, n’est pas hiérarchisée, et ne contient que la station de

base comme nœud, nommé l’eNodeB. Ses fonctions principales sont les suivantes : Connection

Management, Compression/Décompression d’entête, Contrôle d’accès, Ordonnancement,

Sécurité, Routage des données usagers, Sélection et maintien de MME (Mobility Management

Entity) pour le UE, etc.

Autres que l’interface air, qui sera traitée dans la section suivante, les interfaces qui existent dans

l’E-UTRAN sont :

L’interface X2 : c’est une interface logique qui sépare deux eNodeBs, en d’autres

termes, elle peut ne peut exister physiquement lorsque le contenu à véhiculer via cette

interface est routé à travers S-GW sur l’interface S1. Elle est introduite dans le but de

permettre aux eNodeBs d’échanger des informations de signalisation durant le

Handover ou la signalisation/donnée du concept coordonné multipoints, sans faire

intervenir le réseau cœur. Elle est gérée par le protocole X2AP (X2 Application

Protocol) [9]. Ce protocole a subit des extensions en LTE Rel-9 avec l’intégration du

concept SON (Self Organization Network) et en LTE Rel-11 avec l’adoption des

techniques CoMP, ces derniers nécessitent la prise en considération la coopération

entre les eNodeBs (signalisation pour CSCB-CoMP et données pour JP-CoMP).

Page | 25

L’interface S1 : C’est l’interface qui joue le rôle de l’intermédiaire entre le réseau

d’accès et le réseau cœur, et elle peut être subdivisée en deux interfaces élémentaires :

S1-U reliant eNodeB avec S-GW pour écouler les données du plan utilisateur, et S1-

MME qui relie eNodeB avec MME.

2. L’interface air

Cette interface n’a pas subi de grand changement par rapport LTE Rel-8, elle a gardé les

mêmes spécificités et elle est caractérisée par deux techniques d’accès différentes pour le lien

montant (SC-FDMA) et le lien descendant (OFDMA).

2.1. OFDMA

OFDMA est une extension de la technique de modulation OFDM pour permettre à plusieurs

utilisateurs de transmettre simultanément sur un seul symbole OFDM. Cette technique d’accès

est largement demandée dans les réseaux sans fils à large bande car elle résout le problème de

sélectivité en fréquence du canal, en le découpant en sous canaux de largeur inférieure à la bande

de cohérence. Ainsi, l’information est transmise via plusieurs sous-porteuses orthogonales. Ces

sous-porteuses sont générées grâce à l’IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), et leur nombre

total qui dépend de la bande spectrale (voir figure 1.13).

L’espacement entre sous-porteuses en LTE est fixé à 15 KHz, et le symbole OFDM est celui

constitué de la totalité des symboles informations transmis via les sous porteuses (voir figure

1.16).

Figure 1.13 Nombre de sous-porteuses pour différentes bandes spectrales [9]

Dans un canal multi trajets, il y a risque d’interférence entre symboles OFDM. Pour ceci l’ajout

d’un préfixe cyclique demeure nécessaire. Sa taille dépend du milieu de propagation, pour ceci en

LTE on fixe deux types de CP (Cyclic Prefix), l’un de taille normale (5.21 µsec), l’autre de taille

étendue pour les milieux très dispersifs (16.67µs).

Page | 26

Figure 1.14 L’opération OFDM et le symbole OFDM [9]

2.2. SC-FDMA

L’inconvénient majeur de la technique OFDMA, qu’elle est caractérisée par un PAPR (Peak to

Average Power Ratio) assez élevé. Ceci est dû à la nature d’OFDM, étant basée sur une

transmission multi-porteuses, la puissance en un instant donné, est égale à la somme de toutes les

puissances sur chaque sous-porteuse. Un PAPR élevé dégrade énormément l’efficacité de

consommation d’énergie chez un amplificateur RF, ce qui rend impossible l’adoption d’un tel

schéma de transmission pour le sens montant, tout en respectant la contrainte de la durée de vie

des batteries des UEs. Un autre concept est proposé pour le sens montant, nommé SC-FDMA

(Single Carrier – FDMA). Ce dernier très semblable à OFDMA (voir figure 1.15 et 1.16). En

OFDMA, les symboles sont transmis chacun à travers une sous-porteuse, alors qu’en SC-FDMA

chaque symbole est étalé sur l’ensemble des sous-porteuses allouées.

Figure 1.15 L’opération SC-FDMA[9]

Figure 1.16 Différence entre SC-FDMA (à gauche) et OFDMA (à droite) [9]

Page | 27

2.3. Structure de la trame

Dans le but de garantir la compatibilité entre LTE Rel-8/Rel-9 et LTE Rel-10, on a gardé

pratiquement la même structure de la couche physique. Cette dernière est caractérisée par deux

types de trame 1 et 2, chacune pour un mode de duplexage, respectivement pour FDD et TDD.

Figure 1.17 Structure de la trame radio type 1 (FDD) [9]

Dans les deux cas, la trame est de longueur 10 ms, composée de 10 sous-trames (Subframe SF),

chacune de longueur 1 ms. La sous-trame elle-même se décompose en deux Slots (voir figure

1.17).

Un Slot correspond à un ensemble de symboles de modulation, 7 pour le cas d’un préfixe

cyclique de taille normale et 6 pour le cas d’un préfixe cyclique étendu.

2.4. Bloc de ressources et élément ressource

Un bloc de ressources, ou bloc de ressources physiques (Physical Resource Block : PRB),

est le plus petit élément qui constitue les ressources physiques en LTE. Un PRB est une grille de

petits éléments appelés éléments ressources (Resource Element RE). Comme c’est indiqué dans

la figure ci-dessous, un PRB est constitué en domaine fréquentiel de 12 sous-porteuses, chacune

de largeur 15 KHz, en tout 180 KHz, et d’un Time Slot dans le domaine temporel, autrement dit

6 ou 7 symboles selon la taille de PC. Un élément ressource (RE) est formé par une seule sous-

porteuse et un seul symbole dans le domaine temporel, d’où il ne peut contenir qu’un seul

symbole de modulation (QPSK, 16QAM, 64QAM). Ainsi, un PRB est constitué de 12 7 = 84

éléments ressources dans le cas d’un Normal CP, et 12 6 = 72 éléments ressources pour le cas

Extended CP.

Page | 28

Figure 1.18 Bloc de ressources (PRB) et élément ressource (RE) [9]

Le nombre total de PRB par CC dépend de la largeur de cette dernière, et le tableau ci-dessus

résume ces données, qui seront utiles plus tard dans ce rapport.

Bande (MHz) Nombre de PRB

1.4 6

3.0 15

5.0 30

10.0 50

15.0 75

20.0 100

Tableau 1.1 Nombre de PRB par CC en fonction de la bande disponible

2.5. Les Canaux et les signaux Physiques

Les canaux physiques pour le lien descendant sont les suivants :

PBCH (Physical Broadcast Channel) : Diffuse les informations système encapsulées dans un bloc nommé MIB (Master Information Block), ainsi que les paramètres d’accès aléatoire RACH.

PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) : Transporte les données usagers, les recherches de Paging, et quelques informations système dans un bloc nommé SIB (System Information Block) tel que : l’état de la cellule, l’identifiant de la cellule, les types des services alloués, etc.

PMCH (Physical Multicast Channel) : Transporte le trafic multicast comme pour MBMS7.

PHICH (Physical HARQ Indication Channel) : Envoie les messages ACK/NACK vers UE qui sont les acquittements HARQ, pour contrôler la transmission en Uplink.

7 MBMS : Multi-Broadcast Multicast Services, c’est un service de Broadcast intégré dans les évolutions du standard LTE, à

partir du Rel-9.

Page | 29

PDCCH (Physical Downlink Control Channel) : Transporte le DCI (Downlink Control Information), les messages d’affectation des ressources pour DL, et les messages des résultats d’ordonnancement pour UL du canal PUSCH.

Les signaux physiques en DL sont :

Les signaux de référence (Reference Signals RS) : Ces signaux sont des REs particuliers, reconnus mutuellement par l’UE et l’eNodeB pour l’estimation du canal de l’OFDMA. Un signal de référence (RS) correspond à un symbole pilote, caractérisé par son type de modulation, valeur et position dans la grille des ressources. Le nombre des RS en DL, dépend du nombre des antennes au niveau de l’eNodeB, du type de la trame (Mode de duplexage), et la valeur contenue dans le RS dépend du Cell ID.

Les signaux de synchronisations (Synchronization Signals SS) : sont le PSS (Primary Synchronization Signal) et le SSS (Secondary Synchronization Signal).

Pour le lien montant les canaux physique sont les suivants :

PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) : Consacré pour les données usagers (transporte le trafic des UE multiple vers l’eNodeB).

PUCCH8 (Physical Uplink Control Channel) : Transporte les acquittements de HARQ (ACK/NACK), véhicule les demandes d’ordonnancement en UL (SR Scheduling Request), véhicule les feedbacks (CQI/PMI/RI) vers l’eNodeB (voir section suivante).

PRACH (Physical Random Access Channel) : Pour les tentatives d’accès aléatoire, l’UE récupère à partir du PDCCH l’emplacement du RE, relatif au canal PRACH. D’un autre côté, le PBCH contient la liste des préambules alloués (64 au maximum) et la taille maximale du préambule.

Les signaux physiques en UL sont :

Les signaux de démodulation (Demodulation Reference Signals DM-RS) : Pour

l’estimation du canal au niveau de l’eNodeB et la démodulation de données et de

signalisation.

Sounding Reference Signal (SRS) : Permet l’estimation de la qualité du canal en UL,

pour effectuer l’ordonnancement judicieux.

Ce qu’on doit remarquer, est l’absence des canaux dédiés en LTE, pour le sens montant et

descendant. Le plan de répartition des canaux et signaux physiques est traité dans le chapitre

suivant pour le calcul de l’efficacité de bande spectrale du système.

3. Les techniques MIMO améliorées

8 Lorsque l’UE dispose à la fois, des données et de la signalisation, ces derniers sont multiplexé dans un même canal de

transport et mappés sur le canal PUSCH.

Page | 30

3.1. Généralités

La technique MIMO (Multiple Input Multiple Output), comme son nom l’indique,

consiste à équiper l’émetteur et le récepteur par plusieurs antennes. Dans le but d’améliorer le

débit, augmenter l’efficacité spectrale, diminuer la probabilité de coupure du lien radio, etc. Vu

son intérêt, cette technique est déployée depuis LTE Rel-8, et maintenant elle est améliorée avec

LTE Rel-9/10/11. Plusieurs schémas MIMO sont adoptés par 3GPP LTE, qu’on peut classer en

catégories, soit selon le nombre d’utilisateurs (SU-MIMO : Single User MIMO et MU-MIMO :

Multi-User MIMO), soit selon le nombre de couche séparer de multiplexage spatial, ou selon les

coordinations entre systèmes MIMO (en Coordinated-MIMO et non Coordinated-MIMO).

Figure 1.19 SU-MIMO (à gauche) et MU-MIMO (à droite)

Pour les systèmes MIMO, le canal est caractérisé par une matrice constituée d’un nombre de

coefficients canal égal à avec et sont respectivement le nombre d’antennes à

l’émission et le nombre d’antenne à la réception. Il est géré donc par la fameuse équation :

(1.7)

Avec , , et sont respectivement le vecteur information reçu de taille , le vecteur

symboles émis de taille , la matrice du canal de taille et le bruit thermique au niveau

du récepteur.

3.2. Diversité de transmission

Dans le cas où l’eNodeB dispose de plus qu’une antenne, LTE peut bénéficier de la diversité

spatiale vu que cette dernière améliore les performances du lien radio sur l’interface radio et

combat significativement le phénomène d’évanouissement grâce à un codage spatio-fréquentiel

(Space Frequency Block Code SFBC). Si on prend un exemple de 2 antennes à l’eNodeB, la

première antenne transmet deux symboles consécutifs S1, S2 sur deux sous-porteuses adjacentes,

quant à la deuxième antenne transmet – , . Ainsi, chaque symbole est transmis deux fois à

travers une antenne et une sous-porteuses différentes.

Page | 31

Figure 1.20 Principe de SFBC ( = 2) [9]

3.3. Multiplexage Spatial

Dans le cas précédent, la transmission est dite flux simple, car le rendement est d’un symbole

par utilisation canal, et ceci génère un seul flux de symboles et maintient le même débit. Une

deuxième alternative consiste à générer des flux multiples, parallèles, et totalement séparés. On

parle du multiplexage spatial.

En LTE Rel-10, nous avons un gain de multiplexage spatial allant de 1, passant par 2 et 4 jusqu’à

8 couches, on trouve donc MIMO 2 x 2, MIMO 4 x 4 et MIMO 8 x 8.

Figure 1.21 Principe de multiplexage spatial ( = 2) [9]

Le gain de multiplexage spatial (noté ) est donné par la formule suivante :

(Plusieurs récepteurs)

(Un seul récepteur)

Avec et sont respectivement les matrice canal pour MU-MIMO et SU-MIMO Il

dépend donc de l’état du canal d’un côté, et d’autre côté du nombre d’antennes à l’émetteur et du

nombre d’antennes chez le(s) récepteur(s). Ce type de multiplexage opère à base de pré-codeur

(noté ) et optionnellement du post-codeur (noté ), pour que l’équation fondamentale

devienne :

(1.8)

On distingue deux modes de multiplexage spatial :

MIMO à boucle fermée (Closed Loop MIMO) : L’UE, après l’estimation du canal,

envoie un message feedback vers l’eNodeB à travers le canal PUCCH, pour indiquer

Page | 32

le rang de la matrice du canal (RI Rank Indicator), le pré-codeur adéquat (PMI9 best

Compagnion) et le pré-codeur à éviter (PMI Worst Compagnion), à l’eNodeB pour

que cette dernière prend la décision et informe l’UE du choix effectué.

MIMO à boucle ouverte (Open Loop MIMO) : Dans ce cas l’eNodeB ne considère

aucun feedback de la part de l’UE, ce mode est recommandé pour les scénarios des

mobiles à vitesse élevée.

A noter que le multiplexage spatial n’est appliqué que pour le canal physique PDSCH, pour les

autres canaux on applique une diversité de transmission.

4. Modulation et codage adaptatifs

La modulation et le codage adaptatifs (AMC Adaptive Modulation & Coding), est une

approche opportuniste qui tend à adapter la technique de modulation et de codage en fonction de

l’état du canal. Pour les transmissions DL en LTE, l’UE envoie le feedback de CQI

(Quantification du SINR) vers l’eNodeB pour que cette dernière lui sélectionne un MCS

(Modulation & Coding Scheme), un schéma de modulation et de codage qui maximise l’efficacité

spectrale tout en gardant le BLER (taux d’erreurs par bloc) inférieur à un certain seuil

(généralement 10 %). En utilisant le fait que le canal est réciproque, le MCS en UL est maintenu

le même ou inférieur10. La figure ci-dessous résume les techniques de modulation mis en œuvre

en LTE.

Figure 1.22 Techniques de modulation en LTE [9]

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté les principales caractéristiques techniques du standard

LTE Rel-10 ou LTE-Advanced, spécialement la couche physique et le réseau d’accès E-UTRAN,

ces derniers, comme on a déjà mentionné, sont hérités du standard LTE Rel-8/9. Ce chapitre est

structuré dans une manière où il sera utile pour son successeur, dans lequel nous allons détailler le

processus de planification du réseau d’accès du standard LTE/LTE-Advanced.

9 Pour éviter de transmettre une matrice sur le canal de feedback, il est plus judicieux d’envoyer son index depuis un code

book reconnu mutuellement par l’UE et eNodeB. 10

Il y’a des classes des terminaux de Rel-8 qui ne supporte pas la modulation 64-QAM en UL.

Page | 33

Chapitre 2

Planification dans l’E-UTRAN

Introduction

La planification des réseaux cellulaires ne fait pas partie du standard, mais ceci ne

contredit pas son intérêt fondamental, comme étant une phase très importante dans le cycle de

vie de tout réseau. Du fait, un opérateur doit se focaliser sur la planification, avant la mise en

œuvre de son réseau, dans le but d’optimiser le coût de déploiement et devenir plus concurrent

dans le marché.

Dans ce chapitre nous allons étudier la planification du réseau d’accès, appelé E-UTRAN en

LTE/LTE-Advanced : son objectif, ses étapes, ses entrées et ses sorties. Pour ceci, nous allons

proposer une solution, inspirée de celles de Nokia Siemens Networks, de Motorola, de Huawei et

de Qualcomm [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16].

I. Les étapes de planification dans l’E-UTRAN

La planification en LTE/LTE-Advanced, comme tout autre réseau cellulaire, est une

tâche complexe, contenant un certain nombre d’étapes consécutives, dont l’output d’une certaine

étape fournit l’input de l’étape suivante. Contrairement à ces antécédents, la planification de

couverture et de capacité en LTE se font de façon conjointe, en une seule tâche, appelée

dimensionnement (voir figure 2.1). Le processus entier peut se résume en 4 grandes phases :

Figure 2.1 Processus de planification radio

Pré-planification

Dimensionnement

Sélection et paramètrage

des sites

Optimisation

Planification de couverture

Planification de capacité

eNodeB

Page | 34

La pré-planification : nécessite la collecte des informations qui portent sur la zone de

déploiement. Ces informations sont fruits des investigations approfondies, on cite par

exemple : Les informations détaillées sur l’eNodeB et l’UE (Noise Figure, MIMO,

etc.), Les informations sur la zone de déploiement (superficie, information

démographiques, densité d’abonné, taux de pénétration de la technologie LTE),

informations sur les abonnés de la zone (services demandés, trafic offert, etc.).

Le dimensionnement : comme son nom l’indique, consiste à satisfaire les contraintes

de couverture et de capacité tout en minimisant les ressources exploitées.

La planification détaillée consiste à sélectionner les positions géographiques adéquates

des sites, ainsi que les configurations nécessaires des antennes dans le but de

maximiser la couverture et la qualité.

L’optimisation : Un processus itératif de contrôle et de suivi des KPI, ayant le but de

maintenir les exigences de QoS préétablis.

Dans le cadre de ce projet nous allons nous intéresser à la phase de dimensionnement, qui

consiste à déterminer le nombre des eNodeB requis, la capacité requise sur l’interface X2 et la

capacité requise sur l’interface S1.

Pour un opérateur de télécommunication, l’étape de dimensionnement des équipements et des

interfaces de son réseau est préliminaire. Elle permet de déterminer le volume des équipements et

logiciels à acquérir et à déployer afin de satisfaire ses abonnés. Cette étape fondamentale consiste

principalement à :

Trouver une meilleure architecture cellulaire capable de garantir la qualité de service

requise pour chaque service.

Absorber totalement la charge : le réseau doit fournir les canaux nécessaires pour

s’assurer que le trafic associé à chaque cellule soit absorbé et transporté.

Garantir la couverture et la mobilité dans toute la zone de déploiement.

La phase de dimensionnement, que nous avons la traiter avec plus de détails dans ce chapitre, se

résume dans le schéma ci-dessous :

Page | 35

Figure 2.2 Processus de dimensionnement

II. Dimensionnement de l’eNodeB

Le dimensionnement des eNodeBs est la partie la plus sophistiquée et délicate du processus de

dimensionnement. Comme on a indiqué précédemment, le processus de dimensionnement

nécessite une liaison conjointe entre la capacité et la couverture.

De ce fait, deux méthodologies doivent être mises en place pour le dimensionnement de ce nœud

: un dimensionnement orienté capacité et un dimensionnement orienté couverture. La première

tient compte des exigences en capacité et en trafic que doit être absorbé et transporté par le

réseau et la deuxième tient compte des exigences en couverture.

Finalement, le nombre des eNodeB serait le maximum du nombre issu des deux méthodes.

1. Planification orientée couverture

Ci-dessous la solution proposée pour la planification basée sur la couverture. Ce schéma

rassemble toutes les entrées et les sorties du dimensionnement orienté couverture. Le principal

output de ce processus est le nombre minimum d’eNodeBs requis pour la couverture. Pour bien

comprendre ce schéma, voici son descriptif séquentiel simplifié :

Etablir le bilan de liaison radio pour aboutir à l’affaiblissement maximal de parcours (y

compris le calcul de la sensibilité du récepteur)

Choisir le modèle de propagation adéquat pour déterminer le rayon de la cellule.

Calculer l’empreinte du site en se basant sur le rayon et la configuration.

Déduire le nombre nécessaire de sites pour couvrir la surface de déploiement considérée.

eNodeB

Exigences de la QoS

Exigences de

couverture

Exigences de capacité

Capacité

X2

Capacité

S1

Nombre des

eNodeBs

Page | 36

Figure 2.3 Solution proposée pour le dimensionnement de couverture

1.1. Bilan de liaison radio

1.1.1. Formule générale

Souvent, lorsqu’on veut planifier une liaison radio, pour toute application sans fil, la première

question qui peut se poser est : Quelle est la distance maximale que peut séparer l’émetteur et le

récepteur ? Le premier pas à faire pour répondre à cette question est de déterminer

l’affaiblissement de parcours maximal (ou Maximum Allowable PathLoss MAPL), en passant par

établir un bilan de liaison radio (RLB). La seule sortie de RLB est l’affaiblissement de parcours

maximal, ce dernier est utilisé conjointement avec un modèle de propagation pour enfin déduire

la distance maximale pouvant séparer l’émetteur et le récepteur. Pour un réseau cellulaire, la

liaison sur l’interface radio est bidirectionnelle, car on a un sens montant et un sens descendant,

d’où il semble nécessaire d’établir un double bilan de liaison pour UL et DL11. Commençons par

l’expression de la puissance reçue en fonction de la puissance émise :

= (2.1)

11 Cette section va traiter le bilan de liaison d’une façon générale pour que ça soit valable pour le sens montant et descendant.

Bilan de liaison

radio

Modèle de

propagation

Calcul de la

sensibilité

Nombre de sites nécessaires pour

couvrir la zone de déploiement

Page | 37

Paramètre Définition Unité

Puissance reçue dBm

Puissance émise dBm

Ensemble des gains introduits au niveau de l’émetteur

dBi

Ensemble des pertes introduites au niveau de l’émetteur

dB

Ensemble des gains introduits au niveau du récepteur

dBi

Ensemble des gains introduites au niveau du récepteur

dB

Affaiblissement de parcours dB

Marges de planification dB

Tableau 2.1 Paramètres du bilan de liaison radio

Si on se place dans le cas d’un affaiblissement de parcours maximal, la puissance reçue

correspond donc à la sensibilité du récepteur. L’équation (2.1) peut ainsi être reformulée :

(2.2)

Nous allons maintenant traiter les paramètres de l’équation (2.2) un par un.

MAPL (Maximum Allowable PathLoss) : L’affaiblissement maximal de parcours,

exprimé en dB. C’est le paramètre dont on désire y aboutir à travers l’établissement d’un

bilan de liaison, il s’exprime en dB.

PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) : ou EIRP (Equivalent Isotropic

Radiated Power), est la puissance rayonnée équivalente à une antenne isotrope. Elle est

exprimée en dB, sous la formule suivante :

(2.3)

Paramètre eNodeB UE

Puissance de l’émission de l’eNodeB au niveau du connecteur de l’antenne (43-49 dBm).

Puissance d’émission de l’UE (dépend de la catégorie du UE) Catégorie 1->5 UE de Rel-8/9 Catégorie 6-7-8 UE de Rel-10/11

=

: Gain de l’antenne de l’eNodeB, il dépend du constructeur.

: Gain de diversité, dépend du

nombre d’antennes à l’eNodeB et de la taille du motif de coopération

( ).

: Gain de l’antenne de l’UE, il dépend du constructeur.

: Gain de diversité, dépend

du nombre d’antennes à l’UE.

Page | 38

=

: Pertes des câbles

d’alimentation entre l’eNodeB et le connecteur d’antenne : elle dépend de la longueur, type et fréquence du câble. (1-6 dBm)

: Autres pertes liées à l’eNodeB (exemple : connecteurs).

/ : Perte du corps

humain, dépend de l’équipement de l’utilisateur (téléphone/clé USB/tablette)

: Autres pertes liées à l’UE.

Tableau 2.2 Paramètres pour le calcul du la PIRE

: désigne la sensibilité de référence du récepteur, elle s’exprime en dB.

Physiquement, ce paramètre correspond à la puissance minimale de réception, au dessous

de laquelle il y’a rupture du lien radio. Elle est donnée par la formule (2.4). (2.4)

Paramètre Description

Constante de Boltzmann (1.388062 )

Température ambiante en (K)

La largeur de bande de réception : elle dépend du nombre de blocs de ressources requis, et la largeur d’un bloc de ressources.

La valeur de SINR requise au récepteur : dépend de

, du débit d’information requis, schéma CoMP, MIMO, etc. Déduite à partir des simulations du lien12.

RF Noise Figure (dB) : dépend du mode de duplexage et l’écart duplex.

Marge d’implémentation (dB) : dépend du constructeur, elle tient compte des erreurs résiduelles dans l’étage RF du récepteur (erreurs d’échantillonnage,

quantification, etc.)

Gain de diversité de réception (dBi) : dépend du type de récepteur13 et du nombre d’antennes

Tableau 2.3 Paramètres pour le calcul de la sensibilité de réception

1.1.2. Calcul de la sensibilité du récepteur

Le calcul de la sensibilité n’est pas évident, il est complexe et passe par plusieurs étapes, nous

allons donc le consacrer cette partie, dans laquelle on va déterminer et de l’équation

(2.4).

12

Etablir une expression explicite d’un certain paramètre peut ne pas être simple, pour résoudre ce problème on peut accéder à ces valeurs par simulation (Link Level Simulation). 13

En LTE, le récepteur est dans la plupart des cas de type MRC (Maximum Ratio Combining), autrement dit il est capable de récupérer la diversité de réception.

Page | 39

1) Détermination de la bande de réception

(2.5)

Avec et sont respectivement le nombre de PRB (Physical Resource Block)

requis et la largeur de bande d’un PRB. = 15 KHz désigne l’espacement entre sous-porteuses.

Etant sur la bordure de la cellule (où la puissance reçue doit être supérieure ou égale à la

sensibilité), et pour déterminer , nous devons tout d’abord fixer :

Débit d’information requis sur les bordures de la cellule : C’est le débit à procurer

pour les utilisateurs situés sur les bordures de la cellule, il dépend du service à planifier

et garantir pour eux. On le note : [bits/s].

BLER (Block Error Rate) cible (%) : Le taux d’erreur par bloc à planifier sur les

bordures de la cellule, il dépend du type de service à planifier et garantir. On va le

noter

MCS index (Modulation & Coding Scheme) : La technique de modulation et de

codage optimale. L’index prend une valeur de 0 à 28. En fait, chaque MCS index doit

se référer à une modulation ayant bits/symbole et un codage de rendement . (Voir

l’annexe)

Le Coût système (System OverHead) (%) : on va le noter SOH, présente le

pourcentage des ressources consommées par le système parmi la totalité des

ressources. En effet, le canal physique qui transporte le trafic usager (PDSCH pour le

DL et PUSCH pour l’UL) n’occupe qu’un certain nombre de blocs de ressources

PRB, car les autres PRB contiennent le reste des canaux et signaux physiques.

Par conséquence, est donné par la formule (2.6) :

(2.6)

Où, l’indice XL mentionne UL/DL, donne le nombre de RE par TTI (égal à 7 pour un

préfixe cyclique normal et 6 pour un préfixe cyclique étendu) et la partie entière.

Exemple illustratif :

On se place dans le sens descendant, où on désire planifier et garantir un service pour les usagers

situés sur la bordure de la cellule, ce service nécessite un débit (exemple 500 bits/s), et

un BLER cible égal à (exemple 10 %). La modulation et le codage sur les bordures de

la cellule sont QPSK ½ donc = 2 et = ½.

On suppose aussi que le coût système en DL est . D’où le débit d’information

réellement demandé s’écrit sous la forme :

Page | 40

[bits/sec]

Ensuite, on doit rappeler qu’un symbole de modulation nécessite un RE (élément ressource), et

qu’un TTI égal à 1 ms dans le domaine temporel. On peut aboutir à la taille de block de transport

TBS (Transport Block Size : nombre de bits/utilisateur/TTI)

[bits/TTI]

Puis, on aboutit au nombre de RE requis :

[RE]

Il suffit maintenant de trouver le nombre PRB requis. Pour se faire on rappelle que le nombre de

RE par PRB est égal à , avec lorsque le préfixe cyclique est normal, et

lorsque le préfixe cyclique est étendu. D’où on peut retrouver le nombre de PRB requis

en passant par la formule (2.6).

2) Détermination du SINR requis :

Avant tout, il faut mettre en relief que ce paramètre traduit la performance du système, en

d’autres termes, plus le système est performant, plus cette valeur de SINR requis est faible. Pour

déduire la valeur, nous allons proposer deux solutions.

La première consiste à exploiter les résultats de la simulation de lien (Link Level Simulation), car

la mise en place d’une formule explicite faisant intervenir tous les facteurs, semble complexe.

(Voir figure 2.4). Le simulateur de lien permet de court-circuiter des lourdes étapes de calcul, en

fournissant des outputs sous formes de courbes (figure 2.5), susceptibles à être utilisées pour la

planification. La figure 2.5 montre la variation de SINR requis en fonction du nombre de PRB.

Figure 2.4 Diagramme en bloc du simulateur de Lien pour LTE-A [8]

Page | 41

Une deuxième solution consiste à l’approximation par la formule d’alpha-Shannon :

(2.7)

Avec , et représentent respectivement l’efficacité spectrale, l’efficacité de la bande et

l’efficacité de SINR. Ainsi, le débit théorique maximal est donné par :

Donc,

et puis on peut déduire que

.

La figure 2.5 représente la variation de SINR requis ( ) en fonction du nombre de bloc

de ressources requis ( ) déjà calculé pour tous les valeurs de MCS index. Exemple : si le

MCS est 0-QPSK (QPSK R = 0.1172) et =9 donc = -3 dB.

Figure 2.5 La variation du SINR requis en fonction du nombre de blocs de ressources alloués [9]

-6

-3

0

3

6

9

12

15

18

21

1 5 9 13 17 21 25

Number of allocated RBs

Req

uir

ed

SIN

R [

dB

]

0-QPSK

1-QPSK

2-QPSK

3-QPSK

4-QPSK

5-QPSK

6-QPSK

7-QPSK

8-QPSK

9-QPSK

10-QPSK

11-16QAM

12-16QAM

14-16QAM

14-16QAM

15-16QAM

16-16QAM

17-16QAM

18-16QAM

19-16QAM

20-16QAM

21-64QAM

22-64QAM

23-64QAM

24-64QAM

25-64QAM

26-64QAM

27-64QAM

28-64QAM

Page | 42

1.1.3. Marges

Après avoir calculé la sensibilité du récepteur et la PIRE dans les sections précédentes, la

question qui se pose maintenant : Est-ce qu’on peut calculer l’affaiblissement de parcours

maximum ? On doit répondre immédiatement par ‘non’. Car, il est indispensable de comptabiliser

un ensemble de marges de sécurité, qui correspondent à l’environnement radio, pour éviter le

phénomène ‘Swiss Cheese’ (surface avec trous de couverture), et enfin atteindre notre objectif de

couverture.

1.1.3.1. Marge de pénétration

Le milieu dans lequel l’utilisateur évolue a un impact sur le bilan de liaison. En effet, l’UE

peut être en visibilité directe avec la station de base (LOS : Line Of Sight) ou peut ne pas être en

visibilité directe (NLOS : Non Line Of Sight). Dans le deuxième cas, on parle d’un utilisateur

situé à l’intérieur d’un bâtiment, ou dans une zone à haute densité de bâtiment, ou à l’intérieur

d’un véhicule. Par conséquence, on distingue 4 types de couverture : Outdoor, indoor, deep

indoor et incar. Chacune de ces dernières est caractérisée par une marge de pénétration qui

comptabilise les pertes additionnelles introduites.

Cette marge dépend essentiellement de trois facteurs [11] :

La fréquence du signal RF : Les pertes varient selon la fréquence du signal.

Le type des bâtiments : Essentiellement le matériel de construction (brique, bois,

pierre, verre, etc.)

La structure des bâtiments : densité et épaisseur des murs, nombre et dimensions des

fenêtres, etc.

La marge de pénétration est assimilée à une variable aléatoire Gaussienne, le meilleur moyen de

déterminer sa valeur, consiste à prendre des mesures expérimentales depuis la zone concernée.

Généralement, elle prend une valeur autour de 20 dB ou plus pour la perte des bâtiments

(notée ), et une valeur autour de 8 dB pour la perte des véhicules (notée ). [11]

1.1.3.2. Marge de Shadowing

Le Shadowing, ou l’effet de masque, ou autrement le Slow fading, est la variation du signal

dite à moyenne échelle. Ce phénomène est dû aux obstacles qui existent dans milieu de

propagation radio, tel que les bâtiments et la morphologie du terrain (vallées, collines, etc.). Les

mesures réelles du terrain ont montré que l’effet de masque est une valeur aléatoire Log-Normale

(c.-à-d. Son Logarithme est une variable aléatoire Gaussienne) de moyenne nulle et de variance

qui dépend de la densité de l’environnement. Le calcul théorique nécessaire pour modéliser cette

variable est très complexe, la solution est donc de procéder comme pour la marge de pénétration

car les mesures pratiques sont indispensables pour établir la distribution de cette variable.

Généralement, la marge de Shadowing (notée ) est fixée à 5.4 dB. [11]

Page | 43

1.1.3.3. Marge d’interférence

L’interférence est un intervenant très gênant dans les réseaux cellulaires, faute de la

réutilisation de fréquence. En particulier en LTE-A, le facteur de réutilisation est de 1, ce qui

mène à des niveaux d’interférence beaucoup plus importante. D’autre sources d’interférence

peuvent être prises en compte, tel que les interférences des autres systèmes, on parle donc de

l’interférence inter-système. Pour ceci, on introduit une autre marge de sécurité pour maintenir

l’équilibre du bilan de liaison : la marge d’interférence (Interference Margin). Son équation est

donnée par :

(2.8)

Avec , sont respectivement la densité de bruit thermique (dB/Hz), la largeur de bande

de réception et le niveau de l’interférence provenant des cellules adjacentes qui utilisent les

mêmes PRB simultanément. La valeur de est fortement lié à la charge de la cellule (Cell

Load (%) : le taux d’occupation des ressources physiques), la technique de coordination de

l’interférence dans le concept CoMP, la distance entre deux sites, etc. Une simulation de la

variation de la marge d’interférence en fonction de la charge de la cellule a été élaborée en [13],

dont on a résumé les valeurs dans le tableau ci-dessous. On note qu’aucune technique pour

combattre l’interférence entre cellule n’a été considérée dans la simulation (On raisonne sur le

Worst Case).

Charge de la cellule (%) 35 1

40 1.3

50 1.8

60 2.4

70 2.9

80 3.3

90 3.7

100 4.2

Tableau 2.4 en fonction de la charge de la cellule

1.1.3.4. Marge de planification

La marge de planification ( ) qui figure dans l’équation (2.2), est utilisée pour le calcul

de l’affaiblissement maximum de parcours (MAPL). Elle n’est autre que la somme de toutes les

marges de sécurité prises en compte. Elle est nécessaire pour équilibrer le bilan de liaison radio.

Pour enfin aboutir à une valeur de MAPL, valable pour la planification.

Page | 44

, Si couverture indoor/ deep indoor.

, Si couverture incar.

, Si couverture Outdoor.

Figure 2.6 Inputs pour le calcul du MAPL

1.2. Modèle de propagation RF

Un modèle de propagation RF est une formule mathématique utilisée pour caractériser la

propagation de l’onde radio entre l’émetteur et le récepteur. Cette formule dépend de plusieurs

facteurs, à savoir :

La fréquence de l’onde.

La distance parcourue par l’onde.

Les hauteurs des antennes de l’émission et de la réception.

Type de terrain (morphologie).

Clutter (caractéristiques et densité des bâtiments), etc.

On fait recours à un modèle de propagation dans le but d’estimer la valeur de l’atténuation de

parcours. Il n’est pas évident de mettre en place une seule équation faisant intervenir tous les

facteurs, ce qui explique l’existence d’une multitude de modèles de prédiction de propagation

dans le monde des télécommunications, dont on va citer quelques uns dans cette section. Ces

modèles peuvent être théoriques ou empiriques (basés sur la collection d’une grande quantité de

mesures pratiques pour approximer la réponse du canal de propagation radio).

1.2.1. Propagation en espace libre

L’affaiblissement de parcours en espace libre (Free Space) est la perte générée lorsque le signal

traverse un milieu de propagation vide des obstacles (réflexions, diffractions, dispersions, etc.).

Bien que ce modèle soit idéal, il peut être considéré comme étant le point de départ pour tout

autre modèle. L’affaiblissement de parcours dans un espace libre est donné par :

(2.9)

MAPL

(dB)

PIRE (dB)

Sensibilité

(dB)

Pertes du récepteurs

(dB)

Marge de planification

(dB)

Page | 45

Avec , et sont respectivement la distance parcourue, la fréquence et la célérité de la

lumière.

1.2.2. Modèle COST-231 Walfisch-Ikegami [11]

Ce modèle est utilisé pour les environnements urbains et sous-urbains. Il a été initialement conçu

pour des fréquences inférieures à 2 GHz, mais il peut être étendu pour atteindre des fréquences

jusqu’à 6 GHz. Selon ce modèle, l’expression du PathLoss peut s’écrire comme étant somme de

trois termes d’affaiblissement élémentaire, comme suit :

(2.10)

Avec

: Propagation en espace libre.

: distance en Km

: Fréquence en MHz

: Perte de diffraction du toit vers la rue.

, si <

, sinon

: largeur de la rue en m.

: Fréquence en MHz.

: Hauteur du mobile.

: Hauteur du toit du bâtiment.

: facteur de correction prenant en compte l’orientation de la rue.

, si , si , si Avec est l’angle d’incidence du trajet radio par rapport à l’orientation de la rue.

: Perte par diffraction multi-masques.

Avec :

, si >

, sinon

: Hauteur de la station de base en m.

, si >

, sinon

, si >

, sinon

Page | 46

, Pour les sites de taille

moyenne.

, Pour les centres

métropolitains.

Et désigne la séparation entre bâtiments en m.

Tableau 2.5 Modèle COST-231 Walfisch-Ikegami [11]

1.2.3. Modèle Okumura-Hata [11]

C’est le modèle le plus fréquemment utilisé, basé sur les mesures d’Okumura prises dans la région

de Tokyo. Ce modèle prend en considération plusieurs facteurs, essentiellement la nature de

l’environnement en spécifiant son degré d’urbanisation (urbain, urbain dense, sous urbain, rural).

L’affaiblissement selon ce modèle est donné par :

Urbain

Avec

Urbain dense

Avec , pour

, pour

Sous Urbain

Rural

, si la zone est rurale quasi-ouverte.

, si la zone est rurale ouverte.

Tableau 2.6 Modèle Okumura-Hata [11]

Avec

désigne la fréquence en MHz .

Page | 47

désigne l’hauteur de la station de base en mètre .

désigne l’hauteur du terminal mobile en mètre .

désigne la distance en Km .

1.2.4. Modèle COST-231 Hata [11]

Compte tenu que le modèle Okumura-Hata opère uniquement pour une plage de fréquence

inférieure à 1000 MHz, le groupe COST 231 a proposé de modifier ce modèle pour créer un

autre opérant sur la bande 1500-2000 MHz dans les zones urbaines, puis l’ajuster, en ajoutant des

termes correctifs pour tous les autres environnements (sous urbain, urbain dense et rural).

Urbain

Avec

Urbain dense

Avec

Sous Urbain

Rural

Avec , si la zone est rurale quasi-ouverte.

, si la zone est rurale ouverte.

Tableau 2.7 Modèle COST 231 Hata [11]

1.2.5. Modèle Erceig Greenstein [11]

Le modèle Erceig Greenstein est un modèle empirique développé pour les applications sans fil

large bande. Le groupe qui l’a développé, a remarqué que le modèle d’Okumura-Hata n’est pas

convenable pour les zones boisées et montagneuses, c’est pour cette raison qu’ils ont crée un

modèle valable pour trois différents types de terrain A, B et C (voir tableau 2.8).

(2.11)

Avec

Page | 48

= 100 mètres, distance en mètres.

.

.

, pour les terrains de type A et B.

, pour les terrains de type C.

Type de terrain

Description a b c

A Montagneux avec une lourde densité d’arbres

4.6 0.0075 12.6

B Vallonné avec une densité modérée d’arbres

4 0.0065 17.1

C Terrain plat avec faible densité d’arbres 3.6 0.005 20

Tableau 2.8 Paramétrage des terrains pour le modèle Erceig-Greenstein [11]

1.3. Calcul du nombre de site en se basant sur le bilan de liaison

Après avoir calculé l’affaiblissement de parcours maximum (MAPL) par l’établissement d’un

bilan de liaison équilibré, on peut déterminer le rayon de la cellule en utilisant le modèle de

propagation adéquat. En effet, lorsque l’affaiblissement de parcours est égal à sa valeur maximale,

la distance parcourue est égale au rayon de la cellule .

On va prendre un exemple pour bien comprendre le principe. On suppose qu’on est dans un

environnement urbain, qu’on va y appliquer le modèle Okumura-Hata14. Selon le tableau 2.6, on

obtient :

(2.12)

Une fois le rayon de la cellule est calculé (dans cet exemple le modèle choisi est Okumura-

Hata, donc l’unité est le Km), on peut calculer la superficie de couverture de la cellule (appelée

empreinte du site), qu’on note . Cette dernière, dépend bien du nombre de secteurs par site,

qu’on va noter (voir tableau 2.9).

14

On suppose que la fréquence porteuse de déploiement est inférieure à 1000 MHz, pour que les résultats du modèle soient valables.

Page | 49

Figure 2.7 Site mono-sectorisé (à gauche), site bi-sectorisé (au milieu) et site tri-sectorisé (à droite) [13]

Nombre de secteur par site Empreinte

1

2

3

Tableau 2.9 Empreinte du site en fonction du nombre de secteurs [13]

Après la détermination de l’empreinte du site, et tout en disposant de la superficie totale de la

zone de déploiement (notée ), on peut enfin aboutir au nombre de sites demandés

pour la couverture, , à l’aide la formule (2.13).

(2.13)

Le même algorithme qui figure dans le diagramme de la figure 2.3, doit être respecté pour la

liaison montante et la liaison descendante. Ensuite, il faut choisir le plus grand, pour

s’assurer que les deux liaisons soient équilibrées et que le site soit balancé.

(2.14)

(2.15)

(2.16)

2. Planification orientée capacité

L’objectif de la planification orientée capacité est de déterminer le nombre de sites nécessaires

pour ‘absorber’ le trafic offert par les abonnés situés dans la zone de déploiement. Cette phase

fait appel essentiellement à ces paramètres clés :

Page | 50

- La capacité de la cellule dans le sens montant et le sens descendant : calculée à partir des

paramètres systèmes et l’efficacité spectrale du système.

- Le volume de trafic généré par les abonnés de la zone de déploiement : déterminé à

travers le nombre d’abonnés dans la zone et le trafic offert par abonné.

Figure 2.8 Principe de la planification orientée capacité

Dans cette section nous allons expliquer le schéma de la figure 2.8, calculer le coût système, ou le

System OverHead comme étant un paramètre très important, pouvant nous servir pour le calcul

de la capacité de la cellule, puis nous allons calculer la capacité de la cellule, ensuite nous allons

mettre en place un modèle de trafic standard et finalement nous allons établir une formule

permettant le dimensionnement orienté capacité.

2.1. Calcul de l’efficacité de la bande spectrale

Comme tout système de communication sans fil large bande, LTE-A promet de délivrer des

débits élevés pour UL et DL, grâce à une efficacité spectrale améliorée et la largeur de bande

disponible (par agrégation de porteuses). Ce paragraphe va discuter les facteurs agissant

quantitativement et qualitativement sur la bande spectrale allouée au système. En effet, la capacité

de la cellule à desservir des abonnes dépend de la quantité des ressources réservées au canal

physique PDSCH/PUSCH.

Nous allons nous pencher sur le calcul de l’efficacité de la bande en LTE-A pour le sens montant

et descendant, qu’on va noter respectivement et

. Raison de simplification, les pertes de

l’étage RF et les pertes dues à l’insertion du préfixe cyclique, sont à négliger par rapport aux

pertes dues aux canaux et signaux physiques. Il faut mettre en relief que l’efficacité de la bande et

le coût système, sont deux paramètres complémentaires, autrement dit :

Et

(2.17)

Page | 51

Le chapitre 1 explique la structure de l’interface air et la grille des ressources tempo-fréquentielle

pour LTE, cette grille est partagée entre les différents canaux et signaux physiques (voir figure

2.9).

Figure 2.9 Exemple de répartition de la grille des ressources en DL LTE-A [3]

Coût des signaux de référence RS pour UL/DL

On va le noter et

respectivement pour le DL et l’UL. Comme c’est mentionné

dans le chapitre 1, le signal de référence occupe un certain nombre d’éléments ressources (RE)

par bloc de ressources (PRB) pour servir dans l’estimation de canal. La densité des RE alloués ne

dépend que de la configuration MIMO et la longueur du préfixe cyclique. La densité des signaux

de référence en DL (CSI-RS) peut être résumée dans le tableau suivant :

Nombre d’antenne à

l’eNodeB

RE de RS / PRB

( )

1 4

2 8

4 12

8 20

Tableau 2.10 Densité des RS en fonction de la configuration MIMO

(2.17)

Exemple : Pour préfixe cyclique de taille normale , et 8 antennes à l’eNodeB ,

donc

. Pour le lien montant, les signaux de référence (DM-RS), transmis

toujours sur le quatrième RE dans le domaine temporel dans chaque PRB de PUCCH.

Page | 52

Figure 2.10 Signaux de référence en UL [2]

15 (2.18)

Canaux de synchronisation pour DL : PSS et SSS

Les canaux PSS et SSS occupent ensemble deux fois 72 RE pendant chaque trame radio.

Figure 2.11 Signaux de synchronisation pour DL [2]

Ainsi l’OverHead relatif à ces signaux correspond au rapport entre le nombre de RE alloués à ces

signaux et le nombre total des RE dans la trame radio de 10 ms, et il est donné par l’équation ci-

dessous :

(2.19)

15

Voir la partie relative au coût du canal physique PUCCH.

Page | 53

: Dépend de la bande spectrale allouée au système (voir tableau 1.1), exemple pour 3.0

MHz, .

Le coût du canal PBCH pour DL

Ce canal est transmis durant 4 trames radio de 10 ms consécutives et il occupe 6 PRB, soit 72

sous-porteuses. Le PBCH est représenté dans la figure 2.12, par la coloration jaune.

Figure 2.12 Le canal PBCH pour le DL

D’où :

(2.20)

PDCCH, PCFICH et PHICH pour le DL (appelé L1/L2 OverHead)

Ces canaux sont susceptibles à occuper les trois premiers symboles, du domaine temporel, de

chaque TTI. Le nombre de RE occupés par un TTI par ces canaux, peut être modélisé sous la

forme :

Avec 1, 2 ou 3.16

Et : Le nombre de RE occupés par RS.

(2.21)

16

Ce nombre dépend du système, en LTE-A, il est fixé à 3, autrement dit, les trois premiers symboles OFDM contiennent de la signalisation.

Page | 54

Figure 2.13 Exemple de mapping des canaux PDCCH, PHICH et PCFICH [2]

PRACH pour UL

PRACH transporte le préambule d’accès aléatoire, il occupe 6 PRB de chaque trame radio de 10

ms. L’emplacement des ces PRB, dépend principalement de deux paramètres de la couche RRC,

qui sont : PRACH Configuration Index (pour la détermination de la densité de RACH, autrement

dit le nombre de symboles dans le domaine fréquentiel que peut occuper un préambule d’accès

aléatoire. Son valeur s’étend de 1 à 4) et PRACH Frequency offset (pour le positionnement dans

le domaine fréquentiel).

(2.22)

PUCCH pour UL

L’OverHead du canal PUCCH, est défini comme étant le rapport entre le nombre de PRB

réservés pour ce canal et le nombre total des PRB dans le domaine fréquentiel par TTI. Le

tableau ci-dessous indique le nombre de PRB alloués pour différents largeur de bande.

(2.23)

Largeur de bande du canal (ou largeur CC)

1.4 MHz 1

3.0 MHz 2

5.0 MHz 2

10.0 MHz 4

15.0 MHz 6

20.0 MHz 8

Tableau 2.11 Nombre de PRB alloués au canal PUCCH

Page | 55

Bilan

UL DL

-

Tableau 2.12 Récapitulatif de l’OverHead pour chaque CC en LTE-A

On obtient ainsi l’OverHead du système par CC, car chaque CC est censé contenir tous les

canaux physiques, pour qu’elle garde la compatibilité LTE/LTE-Advanced.

(2.24)

Et

(2.25)

Et enfin et

sont obtenus à l’aide de l’équation (2.17).

2.2. Calcul de la capacité de la cellule

La capacité de la cellule en LTE/LTE-A n’est autre que le débit moyen sur le canal physique de

données (PDSCH pour DL et PUSCH pour UL), et ceci dépend de plusieurs intervenants, qui

sont essentiellement les suivants :

Le nombre de CC allouées et leurs largeurs respectives.

Les techniques de modulation et de codage employés.

Les techniques MIMO mises en place.

L’OverHead du système.

La taille du préfixe cyclique.

Le nombre de secteurs par site, etc.

Page | 56

Nous allons commencer par un exemple pour enfin établir une formule générale permettant de

calculer la capacité de la cellule pour le sens montant et le sens descendant.

On se place dans le sens descendant, et on suppose que le système ne dispose que d’une seule CC

de largeur 20 MHz, selon le tableau 1.1, cette largeur correspond à 100 PRB par TTI (1 ms),

autrement dit RE/ 1 ms dans

le cas d’un préfixe cyclique de taille normale ( ), ensuite [RE/s].

Nous devons maintenant retrancher l’ensemble de RE utilisés par le système, on va donc

supposer que l’OverHead du système dans le sens descendant est de 23 % (

d’où ), puis le débit des RE consacrés pour les usagers sur le canal PDSCH est

[RE/s].

On sait qu’un élément ressource RE correspond à un symbole de modulation, donc le nombre de

bits d’informations par RE dépend de la technique de modulation et de codage utilisée (MCS

index). Or le MCS utilisé n’est pas le même dans tous les points de la cellule, car il dépend de la

valeur de SINR (AMC : Adaptive Modulation & Coding), plus le SINR est élevé plus l’ordre de

MCS est grand (voir figure 2.14). Pour ceci nous proposons de déterminer la probabilité

d’adopter un MCS donné (dans ce cas le canal est PDSCH, donc les modulations possibles sont

QPSK, 16-QAM et 64-QAM avec différents rendements de code). On note la

probabilité d’adopter MCS d’index i (avec i ). Dans ce qui suit nous allons faire un

exemple simplifié pour comprendre le principe, cet exemple ne tient compte que de trois MCS

qui sont les suivants : QPSK ½, 16-QAM 2/3, 64-QAM 5/6. Ceci peut être généralisé pour tous

les MCS index (voir l’annexe).

Figure 2.14 Schéma simplifié de répartition des MCS selon la distance

Nous allons donc avoir besoin essentiellement de deux résultats :

La courbe de variation de SINR de l’UE en fonction de la distance de l’eNodeB (à

partir du Link Level Simulation).

La valeur minimale de SINR requise pour chaque MCS (notée ) (Link

Level Simulation). Voir l’exemple dans le tableau ci-dessous.

Page | 57

MCS (dB)

QPSK 1/2 1.75

16-QAM 2/3 11.5

64-QAM 5/6 14.5

Tableau 2.13 selon le MCS [11]

A l’aide de ces deux données, on peut déduire R1, R2 et R3. On a réalisé une simulation avec

MATLAB, pour représenter la variation du SINR en fonction de la distance UE-eNodeB, pour le

cas JT-CoMP et sans coopération, où on a considéré m,

, , la puissance de l’émission de

l’eNodeB, un motif de coopération à 3 cellules. On remarque que l’impact du concept CoMP sur

la capacité est négligeable par rapport aux autres facteurs, en effet les sont presque identiques

et par conséquence les sont aussi presque identiques.

Figure 2.15 Comparaison entre l’évolution du SINR en fonction de la distance pour JT-CoMP et sans CoMP, et calcul des

Puis

,

et

.

On rappelle que chaque MCS est caractérisé par un nombre de bits/symbole et un rendement

de code donc une efficacité de .

Par suite, les ( [RE/s] deviennent :

[bits/s]. Avec

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Distance en (m)

SIN

R (

dB

)

sans CoMP

JT-CoMP

R1 R2 R3

SINRmin

pour QPSK

SINRmin

pour 16-QAM

SINRmin

pour 64-QAM

Page | 58

Reste à considérer la technique MIMO, et les gains de multiplexage spatial. Le gain de

multiplexage spatial n’est pas le même dans tous les points de la cellule, il dépend du rang de la

matrice du canal. De même, on pose est la probabilité que le gain de multiplexage

spatial soit égal à k=1, 2, 4 ou 8 pour DL (pour le sens montant k=1, 2 ou 4).

Figure 2.16 Mesures de puissance des valeurs propres du canal [17]

La meilleure méthode pour calculer les , est d’effectuer des mesures réelles

dans chaque point de la cellule, déterminer selon la puissance des valeurs propres de la matrice du

canal, et décider en faveur les valeurs propres de puissances supérieures à un certain seuil, pour

calculer enfin le pourcentage de chaque gain de multiplexage spatial. La figure 2.16 représente le

résultat des mesures effectuées pour un canal MIMO 2 x 2 dans le but de déterminer

et [17].

Si on suppose que et sont indépendantes, et que le site est mono-sectorisé,

la capacité est égale à :

[bits/s]

Si on généralise la formule, on obtient l’équation de la capacité de la cellule pour le sens

descendant :

[bits/s] (2.26)

Par analogie pour le sens montant :

[bits/s] (2.27)

Avec:

Page | 59

: Nombre de secteurs par site.

sont respectivement le nombre de CC pour DL et pour UL.

et sont respectivement l’efficacité et la probabilité d’occurrence du MCS

d’index i.

et sont respectivement le gain de multiplexage spatial et la probabilité

d’occurrence de ce gain.

et

sont respectivement l’OverHead du système en DL et en UL.

est le nombre de PRB par CC (dans ce cas les CC sont de mêmes largeurs).

le nombre de symboles OFDM par TTI (égal à 7 si le CP est normal et à 6 si le CP

est étendu)

2.3. Modèle de trafic et estimation du nombre d’abonnées

Pour dimensionner le trafic nous avons besoin des informations des abonnés et de la zone de

déploiement. Les données nécessaires pour prévoir le nombre d’abonnés dans la zone concernée,

sont principalement les suivantes :

Densité d’abonnés dans la zone (abonnés/Km) :

Surface de déploiement (en Km) :

Part de marché estimé de l’opérateur (%) :

Taux de pénétration des consommateurs (%) :

Taux de croissance (%) :

Durée d’investissement (années) :

Facteur d’Overbooking (%) : . Lorsqu’un site prend en charge un nombre d’abonnés

égal à son capacité, il utilise entièrement ses ressources radio, ce qui augmente le niveau

d’interférence dans toute la zone de déploiement. Exemple : , il faut

charger la cellule à 10 % moins de sa capacité, si elle peut servir 100 abonnés, il faut

l’affecter 90.

Le nombre d’abonnés chez l’opérateur à la i-ème année d’exploitation est estimé à :

(2.28)

On se propose maintenant d’estimer le trafic offert par abonné à l’heure chargée (Busy Hour :

BH). L’heure chargée est défini comme étant les 60 minutes consécutives où le trafic est maximal.

Page | 60

Le trafic en LTE est aléatoire, sporadique et variable au cours du temps, il est mesuré en (bits/s)

car LTE est un réseau à commutation de paquets, ainsi la formule d’Erlang n’est plus valable. Vu

que le réseau LTE permet d’offrir une multitude de services aux abonnés, nous proposons de

discriminer le trafic comme étant une somme de plusieurs segments de trafic, provenant chacun

d’une application/service. (Voir tableau 2.14)

Service

Débit en DL (kbps)

Débit en UL (kbps)

Protocol OverHead

(%)

Taux de pénétration

(%)

VoIP 26.90 26.90 3.63 20.0

HTTP browsing 250.11 62.53 5.3 100.0

FTP 750.34 140.69 9.8 20.0

Interactive Streaming

134.90 134.90 2.2 10.0

Background Services

15.69 15.69 1.0 50.0

Tableau 2.14 Exemple de modèle de trafic [16]

Avec

et

désigne respectivement le débit demandé par un abonné à BH pour un

service donné en UL et en DL (exemple. VoIP) : Cet indicateur dépend de plusieurs facteurs

essentiellement on peut citer : la classe socio-économique des abonnées (classe résidentielle à

services de base, classe résidentielle à services supplémentaires, classe des petites et moyennes

entreprises, classe des grandes entreprises et professionnels), le besoin spécifique des abonnés

envers ce service, le type de la zone (industrielle, résidentielle, rurale), la taille d’un paquet de ce

service, etc.

Désigne l’ensemble des coûts supplémentaires, en termes de débit, que puisse

introduire le service lui-même, par le protocole qui l’encapsule (exemple : TCP, UDP, etc.)

Désigne le taux de pénétration du service.

Ainsi, le trafic par abonné à l’heure chargée s’exprime respectivement pour DL et UL comme

suit :

(2.29)

(2.30)

Le volume total de trafic pour DL et UL à la i-ème année d’exploitation peut s’exprimer donc :

(2.31)

(2.32)

Page | 61

2.4. Détermination du nombre des sites requis

Le nombre de sites nécessaires pour satisfaire la contrainte de la capacité est donnée par :

(2.33)

(2.34)

Et

(2.35)

La capacité de la cellule en DL et en UL, en nombre d’abonnés supportés est estimé à :

(2.36)

(2.37)

3. Nombre final d’eNodeBs requis

Dans les sections précédentes, nous avons déterminé le nombre minimum des eNodeBs requis

pour établir la couverture demandée, noté , ainsi que le nombre minimum d’eNodeB

pour satisfaire la demande en termes de capacité, noté . Par conséquence, le nombre de

sites demandés pour obéir à la fois à la contrainte de couverture et de capacité est donné par

l’équation (2.38).

(2.38)

III. Dimensionnement de l’interface S1 & X2

1. L’interface X2

Le résultat du dimensionnement du nœud eNodeB est la clé du reste du dimensionnement,

notamment l’interface X2. Cette dernière s’avère comme opération beaucoup moins complexe.

Vu que l’architecture du réseau d’accès en LTE est plate, les eNodeB sont deux à deux connectés

par l’interface X2 (physique ou logique), le nombre d’interface X2 est donc donnée par :

Page | 62

(2.39)

La capacité requise dans l’interface X2 en LTE dépend de l’architecture du protocole X2AP.

Comme c’est indiqué dans le tableau ci-dessous, un ensemble de messages est échangé pour

assurer les fonctionnalités de l’interface :

Tableau 2.15 Récapitulatif du protocole X2AP pour LTE [10]

Nous allons nous inspirer des constatations et des expériences des différents constructeurs pour

déterminer la capacité de l’interface X2 en LTE Rel-8/9 :

« L’interface X2 demande une capacité beaucoup moins que celle de l’interface S1, au

maximum 3%..», Huawei [14].

« X2 est < 2 % du trafic en S1, un peu près 1.6 % », Ericsson [15].

« 2% à 3% de S1 est une allocation généreuse pour X2 », FT/Orange, conférence des

réseaux de transport pour les opérateurs mobiles en 2010.

Ainsi, nous allons nous baser sur les réclamations des constructeurs et on va retenir que la

capacité de l’interface X2 (notée ) constitue 3% celle de S1 (notée ).

La capacité de l’interface X2 en LTE-Advanced a subi une évolution avec l’apparition du concept

CoMP, pour ceci, on va distinguer 3 cas :

Sans coordination

Dans ce cas, l’interface X2 garde la même capacité que LTE.

(2.40)

CBCS CoMP

Dans ce cas, il y’a échange de signalisation entre les eNodeBs appartenant au même groupe de

coopération. En effet, chaque UE actif, envoie le CSI feedback à sa station de service pour

l’informer des pré-codeurs les plus destructifs (Worst Compagnion). Un message appelé

RESTRICTION REQUEST est par suite diffusé vers toutes les stations appartenant au même

Page | 63

motif de coopération. Ce message est estimé de taille 86 bits [10] et il est transmis chaque TTI (1

ms), soit donc un débit de 86 kbits/sec par UE actif par eNodeB.

Figure 2.17 Schéma simplifié d’échange de message RESTRICTION REQUEST

D’où, un eNodeB transmet messages et reçoit messages de type

RESTRICTION REQUEST sur une liaison bidirectionnelle X2.

(2.41)

Avec sont respectivement la capacité de la cellule en nombre d’abonnés.

Rq : Ce schéma ne concerne que le sens descendant (voir chapitre 1).

JP-CoMP

Ce cas de coopération nécessite le partage des données de tous les utilisateurs dans la zone de

coopération.

(2.42)

Rq : Ce schéma concerne le sens montant et descendant, il est beaucoup plus gourmand en

termes de Backhauling.

2. L’interface S1

La capacité de l’interface S1, vu que cette dernière transporte des données et de la signalisation,

peut être décomposée en somme d’une capacité sur le plan utilisateur et sur le plan contrôle :

(2.43)

Selon [16], le plan contrôle constitue 2 % du plan utilisateur, donc elle est estimée à :

Page | 64

(2.44)

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons abordé le principe de planification radio, particulièrement la phase

de dimensionnement de l’eNodeB et des interfaces X2 et S1. Le dimensionnement de l’eNodeB

est un processus complexe, qui fait intervenir deux composantes : couverture et capacité, ces

dernières s’avèrent complémentaires et essentielles pour la robustesse du processus de

planification entier.

Page | 65

Chapitre 3

Conception et développement

de l’outil

Introduction

Le processus de planification radio étant complexe, il nécessite faire appel à un outil permettant

de faciliter la tâche aux planificateurs. D’un autre côté, LTE se met en rythme d’évolution

accélérée, vu l’explosion des besoins vers les services de la téléphonie mobile et les exigences

imposées par l’UIT, nous avons donc commencé par LTE Rel-8 et Rel-9 jusqu’à arriver à LTE-A

Rel-10 et Rel-11. Encore une fois, un outil qui suit cette évolution demeure un besoin culminant

pour les opérateurs et les constructeurs. Dans ce chapitre, nous allons présenter l’outil crée pour

répondre à ce besoin.

I. Modélisation de l’outil

1. Structure globale et fonctionnalités

L’outil que nous avons élaboré, est appelé SmartPlanner, dans sa version V 1.0 jusqu’au jour de la

rédaction de ce rapport, ne couvre que la phase de dimensionnement de LTE-Advanced E-

UTRAN, du processus total de la planification radio (Voir figure 2.1).

Figure 3.1 Logo de SmartPlanner

Page | 66

L’outil doit contenir les solutions qu’on a développées dans le chapitre précédent, dans le but de

réaliser les fonctionnalités suivantes :

Planification orientée couverture pour eNodeB : établir le bilan de liaison radio,

calculer l’affaiblissement de parcours maximum, déduire le rayon de la cellule, etc.

Planification orientée capacité pour eNodeB y compris: établir le modèle de trafic,

calculer la capacité de la cellule, estimer le nombre d’abonnés dans la zone de

déploiement.

Dimensionnement des interfaces X2 et S1.

Etablir une étude technico-économique : prévisions des évolutions des coûts pour

aider à la décision d’investissement.

Elaborer un rapport récapitulatif : Ce rapport, sous format PDF, est généré

automatiquement par l’application.

Figure 3.2 Schéma synoptique simplifié de l’application

L’application doit offrir un GUI (Graphical User Interface) bien structuré, pour simplifier le

maximum possible la saisie des données relatives à la phase de pré-planification17, ensuite, les

algorithmes et les équations établis dans le chapitre 2, sont intervenus pour le calcul de

dimensionnement et l’affichage des résultats nécessaires. Dans les sections suivantes, on va

expliquer avec plus de détails le fonctionnement de l’outil.

17

Phase qui précède le dimensionnement, qui fournit les informations nécessaires.

SmartPlanner

Dimensionnement

eNodeB

Capacité

Couverture

Dimensionnement X2 & S1

étude technico-économique

Générer un rapport

automatique

Page | 67

2. Diagramme de cas d’utilisation

Figure 3.3 Diagramme de cas d’utilisation

3. Diagramme de séquence

Figure 3.4 digramme de séquence simplifié

Page | 68

4. Technologies utilisées

4.1. Java Netbeans

Le choix du langage de développement est une tâche critique, qui doit être faite judicieusement,

tout en tenant compte de l’ensemble des contraintes et des objectifs existants. Java est un langage

de programmation évolué, structuré et orienté objet. Nous exposerons ses principaux avantages

qui nous ont incités à le choisir pour développer l’outil :

L’aspect de portabilité du langage, en effet, java est multi plateformes, car ses

programmes tournent sans aucune modification sur tous les programmes (MAC OS,

Windows et notamment Unix).

Java permet de manipuler avec une grande simplicité des objets et des éléments définis

par des classes tout en permettant de leurs attribuer des types différents.

Un langage doté d’une riche bibliothèque de classes permettant, entre autre, la gestion des

interfaces, la gestion des exceptions, etc. Ainsi que le package java. Math qui contient des

fonctions mathématiques utiles pour toutes les étapes de calcul.

Un langage évolutif, en tenant compte de l’éventuelle possibilité d’étendre les services

offerts par l’outil, il est important d’adopter un langage qui facilitera cette extension.

L’IDE Netbeans 7.1.1 a été sélectionné comme étant l’environnement favorable pour le

développement, avec un JDK 1.6, vu que cette plateforme simplifie énormément la création des

interfaces graphique.

4.2. E-Draw

E-Draw est un logiciel qui offre la possibilité à ses utilisateurs de créer des schémas personnalisés,

très variés, avec une haute flexibilité de choix, il intègre des bibliothèques de Design riches et

indexées selon le thème demandé, on cite par exemple : Le Marketing, Le business, L’ingénierie,

L’informatique, L’architecture, Sciences, réseaux, etc. Sa version 6.0 a été utilisée pour créer la

plupart des schémas de ce rapport ainsi que pour la conception UML.

Page | 69

4.3. L’API JfreeChart

JfreeChart est une API permettant de gérer des graphiques. En effet, cette API contient une classe

ChartFactory permettant la création de différents types de graphes, la classe TimeSeries pour

l’affichage des courbes fonctions de temps sur les graphes, CategoryPlot est la classe permettant la

personnalisation des graphes. Cet API permet de générer des courbes, des histogrammes, des

diagrammes par secteurs, etc. Ainsi, elle peut être une solution efficace à employer pour générer

des statistiques et l’élaboration des rapports.

4.4. L’API iText

iText est une API permettant à partir d’un programme JAVA de générer des documents PDF et

HTML. Cette API est disponible à partir de la JDK 1.2 et est sous License MPL et LGPL. iText

s’intègre facilement dans un projet JAVA. Ses fonctionnalités et sa simplicité d’utilisation

permettent aux développeurs d’un projet JAVA de générer des documents de qualité en très peu

du temps. Vous trouverez sur le site officiel de l’API, la description des principaux objets

présents dans cet API ainsi que des exemples de création de documents. Pour notre cas, cet API

va nous servir à produire des fichiers PDFs en tant que rapport des résultats de planification.

II. Développement de l’outil

Dans cette section, nous franchissons la phase de développement de l’application. LTE ou Long

Term Evolution, comme son nom l’indique est un processus d’évolution de la quatrième

génération proposé par 3GPP. Ce processus est jugé accéléré, grâce à une propriété très

importante, qui consiste à la compatibilité entre tous les standards LTE. En outre, un opérateur

déployant la technologie LTE, peut migrer vers LTE-Advanced d’une façon totalement

transparente. L’outil que nous avons déployé consiste à une solution pour la planification du

réseau d’accès radio en LTE, tout en tenant compte des nouvelles techniques introduites en LTE-

A, et qui ont un impact sur le processus de planification.

Maintenant, nous allons expliquer la phase de la mise en œuvre technique de la solution étudiée

dans le chapitre précédent.

1. Le menu Accueil

Comme pour toute application informatique, le menu de démarrage est fortement corrélé à

l’esthétique et à l’ergonomie. D’une autre côté, ça consiste à une solution idéale pour couvrir la

latence du démarrage initial et du chargement. Même si elle est dans sa première version,

SmartPlanner V 1.0 est susceptible à se lancer sur le marché, donc elle a besoin d’un minimum

d’esthétique pour satisfaire les clients. Cette interface (voir la figure ci-dessous) regroupe le logo

de l’application, le logo de l’entreprise, le logo de Sup’Com, une image significative et un bouton

permettant de passer à l’utilisation de l’outil.

Page | 70

Figure 3.5 Le menu Accueil

2. Le menu principal

Ce menu regroupe l’ensemble des interactions pouvant exister pendant le processus de

planification. Il correspond à une interface dynamique éclatée en plusieurs onglets (Voir figure

3.6).

L’organisation de cette interface a été faite d’une façon à séparer entre le dimensionnement de

couverture, le dimensionnement de la capacité et les résultats de calcul.

Figure 3.6 Les onglets du menu principal

L’établissement du bilan de liaison radio, du modèle de trafic, ou tout autre maillon nécessaire

pour une planification robuste, nécessite la disposition d’un ensemble d’informations. Cette

interface n’est autre qu’un champ de saisie des données d’entrées, sélectionnées par le

planificateur du réseau, ce champ est bien structuré dans le but de faciliter la tâche, on y trouve 3

modes de saisie :

Planification

de couverture

Planification

de capacité

Résultats

Page | 71

Configuration initiale : Cette configuration se charge automatiquement dès que

l’application s’exécute.

Configuration manuelle : Celle effectuée par l’utilisateur.

Configuration dynamique : La modification d’un certain champ par l’utilisateur entraîne

automatiquement la modification de tout autre champ dépendant. Par exemple, si

l’utilisateur modifie la valeur de puissance d’émission de l’eNodeB, la PIRE se met à jour

automatiquement.

Nous allons maintenant défiler les onglets un par un, pour décrire les fonctionnalités de chacun.

2.1. L’onglet Modèle de propagation

L’utilisateur doit choisir un modèle de prédiction de propagation parmi 4, qui sont : Le modèle

d’Okumura-Hata, COST-231, Erceig GreenStein et Walfish Ikegami. Il doit encore paramétrer le

modèle sélectionné en choisissant le degré d’urbanisation de la zone, les hauteurs respectives du

terminal mobile et la station de base, etc. La fréquence porteuse18 est celle de déploiement (voir

l’onglet système).

Figure 3.7 Sélection du modèle de propagation

2.2. L’onglet paramétrage émetteurs/récepteurs

Cet onglet est composé de deux sous-onglets. Il permet de paramétrer l’émetteur et le récepteur

pour le sens montant et le sens descendant.

18

Il faut faire attention à la sélection du modèle adéquat, et sa validité pour la fréquence de déploiement (Voir chapitre 2)

Sélectionner le modèle de

propagation

Page | 72

Figure 3.8 Paramétrage eNodeB/UE

Comme on a vu dans le chapitre précédent, le bilan de liaison radio nécessite la disposition de

toutes les pertes et les gains pouvant exister au niveau de l’émetteur, récepteur, ainsi que

l’interface air. Cet onglet permet de saisir les informations nécessaires pour le calcul de la PIRE

de l’émetteur, ainsi que la somme des pertes introduites par le récepteur, pour le sens montant et

descendant.

2.3. L’onglet environnement radio

L’environnement radio agit sur le bilan de liaison radio, en effet les marges de planification

doivent être judicieusement sélectionnées pour bien équilibrer le bilan de liaison radio. Cet onglet

permet :

La sélection d’un environnement radio parmi 5 : AWGN (0 Km/h), Pedestrian B 3

Km/h, Vehicular A 30 Km/h, Vehicular A 60 Km/h et Vehicular A 120 Km/h,

engendre automatiquement la modification de la valeur de la marge de fading rapide.

La sélection d’un taux de charge de la cellule : 35%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% ou

100% entraîne la mise à jour de la valeur de la marge d’interférence.

PIRE de l’eNodeB

PIRE de l’UE

Σ

Downlink

Uplink

Page | 73

La sélection d’un type de couverture : deep indoor, indoor, outdoor ou incar permet de

mettre à jour les valeurs des marges de pénétration.

La saisie de la marge de Shadowing.

La saisie de la densité de bruit thermique.

Figure 3.9 Paramétrage de l’environnement radio

2.4. L’onglet paramétrage système

Cet onglet est destiné à donner la possibilité à l’utilisateur de choisir les paramètres système

avec un certain degré de liberté. Les paramètres de cet onglet sont les suivants :

La fréquence de déploiement : elle correspond à la bande de fréquence attribuée à

l’opérateur.

Nombre de Component Carrier pour UL et DL : 1, 2, 3, 4 ou 5.

Largeur de bande par CC pour UL et DL : 1.4 MHz, 3.0 MHz, 5.0 MHz, 10.0 MHz, 15.0

Mhz ou 20.0 MHz.

Le nombre des antennes intégrées à l’eNodeB : 1, 2, 4 ou 8.

Le nombre d’antennes intégrés à l’UE : 1, 2 ou 4.

Marges de planification

Densité de bruit thermique

Marge d’interférence

Marge de Shadowing

Marge de fading rapide

Marges de pénétration

Page | 74

Le schéma CoMP : sans CoMP, JT-CoMP, DCS-CoMP ou CSCB CoMP.

La taille du motif coopération : 2 jusqu’à 7.

La taille du préfixe cyclique : normale ou étendue.

Figure 3.10 Paramétrage système

Un deuxième sous-onglet est alloué pour l’affichage automatique d’un bilan du coût système

(System OverHead), pour le sens montant et le sens descendant selon les paramètres

sélectionnés. Avec la possibilité des modifications apportées par l’utilisateur.

Figure 3.11 Bilan des OverHeads

Page | 75

2.5. L’onglet calcul de sensibilité

Figure 3.12 Calcul de la sensibilité

La dernière étape avant d’établir le bilan de liaison radio, est le calcul de la sensibilité des

récepteurs pour le lien montant et descendant. Pour ce faire, il faut disposer de certaines

informations, pour calculer la bande de réception et puis la valeur de SINR requis (Voir figure

3.10) à savoir :

- Le(s) service(s) à offrir sur la bordure de la cellule : VoIP, WEB Browsing, FTP,

Interactive Streaming ou Background.

- Le débit demandé sur la bordure de la cellule (en kbps) se met à jour automatiquement

selon le(s) service(s) sélectionné(s).

- Le BLER cible.

- L’index du MCS sur la bordure de la cellule.

2.6. L’onglet prédiction de trafic

C’est le premier onglet pour la planification orientée capacité, il concerne l’estimation de

trafic. Il contient les informations suivantes : La surface de déploiement, le taux de croissance, la

densité d’abonnés, le facteur d’OverBooking, la durée d’investissement, la part de marché de

l’opérateur, le taux de pénétration, et pour chaque service parmi l’ensemble

{VoIP/http/Streaming/FTP/Background Services} il faut indiquer : le trafic offert par abonné

en DL/UL à l’heure chargée, le taux de croissance, le taux de pénétration et le coût du protocole

qui encapsule le service (%). (Voir figure 3.13)

TBS

Services

Page | 76

Figure 3.13 Prédiction de trafic

2.7. L’onglet calcul de la capacité de la cellule

Figure 3.14 Calcul de la capacité

Le calcul de la capacité de la cellule pour le sens montant et descendant est traité avec les

détails dans le chapitre précédent. Comme on a mentionné auparavant, LTE/LTE-A utilise une

technique de modulation adaptative, ainsi que des techniques MIMO amélioré, autrement dit les

Page | 77

utilisateurs adoptent différents MCS et différents gains de multiplexage spatial. Pour déterminer

le débit moyen de la cellule (Average Data Rate), nous avons besoin de la probabilité

d’occurrence de chaque MCS et de chaque gain de multiplexage spatial. Ces données sont

fournies par une simulation du lien ou par mesures pratiques, comme c’est expliqué dans le

chapitre précédent. Cet onglet offre des champs pour la saisie des ces probabilités, ainsi que le

degré de sectorisation du site.

2.8. L’onglet affichage des résultats de dimensionnement

Figure 3.15 Affichage des résultats

Les résultats du dimensionnement de l’eNodeB, de l’interface X2 et de l’interface S1 sont

groupés dans un seul onglet. Cet onglet est destiné à afficher, pour le sens montant et

descendant, les informations suivantes : Le nombre de blocs de ressources requis, le SINR requis,

la sensibilité du récepteur, l’affaiblissement de parcours maximum, le rayon de la cellule,

l’empreinte de la cellule, le nombre de site demandé pour la couverture, la capacité de la cellule

(Mbps), la capacité de la cellule (nombre d’abonnés), nombre de sites requis pour la capacité. Et

enfin, le nombre final de site requis, la distance inter-sites, la capacité en X2, le nombre

d’interfaces X2 et la capacité en S1.

2.9. L’onglet statistiques et évaluation des coûts

Le nombre de sites requis pour satisfaire à la fois la contrainte de couverture et de capacité,

déjà calculé par l’application et affiché dans l’onglet précédent, n’est valable que pour la première

année d’investissement, car ce nombre ne tient pas compte de l’évolution du volume de trafic

dans la zone de déploiement. En effet, le nombre d’abonnés est caractérisé par un taux de

croissance, et le trafic généré par chaque application/service est caractérisé aussi par un taux de

croissance. Par conséquence, le nombre de sites requis dans la zone n’est pas stable et il doit

Page | 78

suivre les exigences de la zone de déploiement. Pour se faire, un onglet est dédié aux prévisions et

à l’évaluation des coûts pour aider à développer un plan d’affaire dans la zone concernée et à

prendre la décision d’investissement, qui contient les fonctionnalités suivantes :

- Répartition du trafic selon les services pour DL/UL.

- Evolution du volume de trafic pendant la durée d’investissement pour UL/DL.

- Evolution du nombre de sites requis pendant la durée d’investissement.

- Evolution du nombre d’interfaces X2 pendant la durée d’investissement.

- Evolution du coût des eNodeBs pendant la durée d’investissement.

- Evolution du coût de l’interface X2 pendant la durée d’investissement.

- Evolution du coût de l’E-UTRAN pendant la durée d’investissement.

Figure 3.16 Calcul de la capacité

Saisie des

coûts

élémentaires

1

1

2

2

3

4

5

6

7

8

9

Page | 79

5

6

4 3

7 8

Page | 80

Figure 3.17 Statistiques et prévisions

Ces résultats sont susceptibles à être exportés par l’utilisateur dans un rapport support pour le

plan d’affaire de déploiement dans la zone étudiée. Ce rapport, sous format PDF, est bien

structuré et contient les statistiques et les prévisions de la figure 3.17 ainsi que les interprétations

et descriptions nécessaires.

2.10. L’onglet About

Comme tout autre produit software, l’onglet à propos permet d’informer l’utilisateur sur le

produit, notamment les développeurs et leurs contacts. Pour SmartPlanner V 1.0, elle correspond

à un outil sophistiqué pour la planification dans le réseau d’accès LTE et ses évolutions, elle

contient un module pour le dimensionnement de l’eNodeB, de l’interface X2 et S1 et un autre

module support pour l’étude technico-économique et l’élaboration du plan d’affaire. Elle est crée

dans le cadre d’un projet de fin d’étude d’ingénieur en télécommunication, et d’une collaboration

Sup’Com-Ericsson.

Figure 3.18 onglet ‘About’

9

Page | 81

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté l’application SmartPlanner dans sa version V 1.0, sa

structure globale, ses interfaces et ses fonctionnalités. En fait, cette application offre une interface

de saisie bien structurée, pour le dimensionnement de couverture, de capacité et de prévision des

coûts.

Page | 82

Conclusion générale &

perspectives

L’objectif principal de ce projet est de créer un outil de planification et de

dimensionnement du réseau d’accès de l’E-UTRAN, dans LTE-Advanced. Un outil évolutif qui

fournit une solution efficace, qui suit l’évolution rapide du standard 3GPP LTE et qui tient

compte des nouvelles technologies introduites, telles que MIMO, CoMP et l’agrégation de

porteuses, etc.

Pour cela, nous avons étudié dans le premier chapitre le réseau LTE-Advanced, les innovations

apportées par rapport LTE et les concepts de bases hérités de LTE, notamment l’interface air et

la couche physique.

La deuxième partie a été consacrée pour un descriptif détaillé d’une solution de

dimensionnement des eNodeB orienté couverture et orienté capacité, de dimensionnement de

l’interface X2 et de l’interface S1. Ce processus est caractérisé par son complexité et comprend

plusieurs tâches, principalement l’établissement du bilan de liaison radio, le choix d’un modèle de

propagation adéquat pour le dimensionnement de couverture, l’établissement d’un modèle de

trafic et le calcul de la capacité de la cellule pour le dimensionnement de capacité.

Dans le troisième chapitre nous avons présenté l’outil crée pour la mise en œuvre de la solution

étudiée dans le chapitre précédent, son architecture globale, ses interfaces et ses fonctionnalités.

Ce projet était l’occasion pour approfondir mes connaissances sur les réseaux mobiles de la

quatrième génération, LTE/LTE-Advanced, ces derniers constituent la solution la plus

recherchée par les opérateurs télécoms pour remédier au compromis QoS – coût, face aux

exigences des consommateurs envers des débits de données plus élevés et des tarifs réduits. Nous

avons aussi étudié l’impact des nouvelles technologies dans le processus de planification, et nous

avons constaté que leurs effets sont beaucoup plus clairs dans la phase de pré-planification. Nous

avons remarqué aussi, que la dualité couverture-capacité est primordiale dans la phase de

dimensionnement. Enfin, l’opérateur doit se rendre compte de l’intérêt de la phase de

dimensionnement, pour éviter des coûts supplémentaires d’optimisation pouvant apparaître lors

Page | 83

du démarrage de l’exploitation et pour s’assurer de la convergence rapide vers les exigences de

QoS pré-établis.

L’outil SmartPlanner, dans sa version V 1.0, consiste à une solution robuste pour la planification

dans l’E-UTRAN, qui ne couvre que le processus de pré-planification et de dimensionnement.

Comme perspectives de cette application, pouvant être incluses dans les versions suivantes de

SmartPlanner, nous proposons une extension pour intégrer tout le processus de planification

dans le réseau LTE-A, on parle donc d’un module cartographique permettant la lecture des

modèles numériques du terrain, la sélection des emplacements des sites, le paramétrage des sites

et l’élaboration des cartes de prédiction de couverture et de qualité dans la zone géographique de

déploiement.

Page | 84

Bibliographie

[1] Informa Telecoms and Media. Global Mobile Forecasts to 2014. “Worldwide Market Analysis, Strategic

Outlook and Forecasts to 2014”. Jan. 2010.

[2] “4G LTE/LTE-Advanced for mobile broadband”. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skӧl. Published by

Elsevier Ltd, 2011.

[3] “Introducing LTE-Advanced. Application Note”. Agilent Technologies, Inc. 2010, 2011 Printed in USA,

March 8, 2011 5990-6706EN.

[4] “LTE The UMTS Long Term Evolution from theory to practice”. Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew

Baker. 2011 John Wiley & Sons Ltd.

[5] “MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB”. Yong Soo Cho Chung-Ang University, Jaekwon

Kim Yonsei University, Won Young Yang Chung-Ang University, Chung G. Kang Korea University, Republic

of Korea.

[6] “Coordinated Multi-Point in mobile communication, From theory to practice”. Patrick Marsch, Gerhad

P.Fettweiss. Cambridge University Press.

[7] “New Coordinated Beamforming Scheme for Multi-cell Multi-User MIMO Systems”. DOCOMO Beijing

Communications Labs, Co., Ltd., Beijing, 100190, P. R. China.

[8] “Cooperative Cellular Wireless Networks”. Ekram Hossain, Dong In Kim, Vijay K. Bhargava. Cambridge

University Press.

[9] “LTE Radio Network Planning Guidelines”. T. Novosad, L. Serna, , C. Johnson. Nokia Siemens Networks,

12.01.2011.

[10] “Backhaul Requirements for Centralized and Distributed Cooperation Techniques”. Dr. Stefan Brück

Qualcomm CDMA Technologies.

[11] Motorola LTE RF Planning Guide: LTE RF Planning & Design V 1.2 2011.

[12] LTE air interface & modem dimensioning rules – Alcatel Lucent, Keith Butterworth, 2010.

[13] “Dimensioning of LTE Network Description of Models and Tool, Coverage and Capacity Estimation of

3GPP Long Term Evolution radio interface”. Abdul Basit Syed. Master’s Thesis submitted in partial

fulfillment of the requirements for the Degree of Masters of Science in Technology.

[14] “LTE requirements for bearer networks”. Huawei Publications, June 2009.

[15] “Right Sizing RAN Transport Requirements”. P. Unell; Ericsson, Transport Networks for Mobile

Operators, 2010.

[16] “LTE Radio Planning Introduction”. Huawei Technologies.CO LTD.

[17] “Practical Introduction to LTE Radio Planning”. Mohammad Nur-A-Alam, Kwangrok Chang.

Page | 85

Annexe 1

Bandes de déploiement en LTE-Advanced

Page | 86

Annexe 2

Techniques de modulations et de codage (MCS index) pour DL et UL

Page | 87

Annexe 3

Récapitulatif des données d’entrées et de sorties de l’outil SmartPlanner V 1.0

Inputs Outputs Couverture Hauteur d’UE Hauteur d’eNodeB Degré d’urbanisation de la zone Puissance d’émission de l’eNodeB Puissance d’émission de l’UE Gain de l’antenne de l’eNodeB Gain de l’antenne de l’UE Perte des câbles/connecteurs eNodeB Perte du corps humain UE NF UE NF eNodeB Marges Densité de bruit thermique Bande de déploiement Nombre de CC Largeur du canal Nombre d’antennes UE Nombre d’antennes eNodeB Schéma CoMP Type du préfixe cyclique MCS @ cell-edge pour UL MCS @ cell-edge pour DL Débit @ cell-edge pour UL Débit @ cell-edge pour DL BLER (%) Capacité Surface de déploiement Densité d’abonnés Taux de croissance Taux de pénétration Part de marché Durée d’investissement Débit par abonné à BH en DL pour service i Débit par abonné à BH en UL pour service i Taux de pénétration du service i Taux de croissance du service i Coût du protocole du service i Probabilité d’occurrence du MCSi Probabilité d’occurrence du gain de multiplexage spatial Degré de sectorisation Evaluation des coûts Coût d’eNodeB Coût de location d’eNodeB/an Coût de construction d’un Km pour X2 Coût de location d’un Km/an pour X2 Coût de maintenance/an Coût d’énergie/an Coût d’allocation de spectre/an Autres Coût liés à l’E-UTRAN

Planification de Couverture Nombre de PRB requis en DL Nombre de PRB requis en UL Valeur de SINR requis en DL Valeur de SINR requis en UL Sensibilité de l’eNodeB Sensibilité de l’UE Affaiblissement maximum de parcours en DL Affaiblissement maximum de parcours en UL Rayon de la cellule en DL Rayon de la cellule en UL Empreinte de la cellule ne DL Empreinte de la cellule ne UL Nombre de sites basé sur le bilan de liaison radio en DL Nombre de sites basé sur le bilan de liaison radio en UL Planification de Capacité Capacité de la cellule en Mbps en DL Capacité de la cellule en Mbps en UL Nombre d’abonnés par cellule en DL Nombre d’abonnés par cellule en UL Nombre de site basé sur la capacité en DL Nombre de site basé sur la capacité en UL Dimensionnement eNodeB Nombre d’eNodeB Dimensionnement X2 Distance Inter-Site Nombre d’interface X2 Capacité en X2 Dimensionnement S1 Capacité en S1