Vers les systemes radiomobiles de 4e generation

De l'UMTS au LTE

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Marceau Coupechoux Philippe Martins

Vers les systemes radiomobiles de 4e generation De l'UMTS au LTE

~ Springer

Marceau Coupechoux Telecom ParisTech 46, rue Barrault F-75634 Paris Cedex 13

Philippe Martins Telecom ParisTech 46, rue Barrault F-75634 Paris Cedex 13

ISBN: 978-2-8178-0084-4 Springer Paris Berlin Heidelberg New York

© Springer-Verlag France, 2013

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Illustrations de couverture : Illustration du haut : System Connection. Concept background of technology. © ktsdesign #13720173 Illustration du bas: Cooperation cellulaire, Marceau Coupechoux, 2012

Maquette de couverture: Jean-Franc;:ois Montmarche

® DANGER

PHOroCOPllIAGE JUElfUVRE

Collection IRIS Dirigee par Nicolas Puech

Ouvrages parus :

- Methodes numeriques pour Ie calcul scientifique. Programmes en Matlab A. Quarteroni, R. Sacco, F. Saleri, Springer-Verlag France 2000

- Calcul formel avec MuPAD F. Maltey, Springer-Verlag France 2002

- Architecture et micro-architecture des processeurs B. Gnossens, Springer-Verlag France 2002

-Introduction aux mathematiques discretes J. Matousek, J. Nesetril, Springer-Verlag France 2004

- Les virus informatiques : theorie, pratique et applications F. Filiol, Springer-Verlag France 2004

- Computer Viruses: from theory to applications E. Filiol, Springer-Verlag France 2005

-Introduction pratique aux bases de donnees relationnelles. (2e M.) A. Meier, Springer-Verlag France 2006

- Bio-informatique moleculaire. Une approche algorithmique P. A. Pevzner, Springer-Verlag France 2006

- Algorithmes d'approximation V. Vazirani, Springer-Verlag France 2006

- Techniques virales avancees E. Filiol, Springer-Verlag France 2007

- Codes et turbocodes C. Berrou, Springer-Verlag France 2007

-Introduction i1 Scilab. (2e M.J J.P. Chancelier, F. Delebecque, C. Gomez, M. Goursat, R. Nikouhah, S. Steer, Springer-Verlag France 2007

- Maple: regles et fonctions essentielles N. Puech, Springer-Verlag France 2009

- Les virus informatiques : theorie, pratique et applications. (2e M.J E. Filiol, Springer-Verlag France 2009

- Codes and Turbo Codes C. Berrou, Springer-Verlag France 2010

- Optimisation combinatoire: theorie et algorithmes B. Korte, J.vygen, Springer-Verlag France 2010

- Concepts et methodes en phylogenie moleculaire G. Perriere, C. Brochier-Armanet, Springer-Verlag France 2010

- Enseigner l'informatique W. Hartmann, M. Nat, R. Reichert, Springer-Verlag France 2012

- Elements de theorie des graphes Alain Bretto, Alain Faisant, Fran<;:ois Hennecart, Springer-Verlag France 2012

A Laurianne et Odilon. A tous ceux dont j'ai eprouve la patience ...

Preface

Au 3e trimestre 2011, il y avait 5,2 milliards d'abonnes a un service mobile utilisant les technologies GSM, UMTS ou LTE. Un tel chiffre demontre, s'il en etait encore besoin, la grande diffusion de ces technologies, non seulement en France, mais sur toute la planete. La consultation de serveurs web, l'echange sur des reseaux sociaux ou Ie gazouillis depuis un terminal mobile font partie des gestes quotidiens dont la simplicite masque Ie grand nombre et la complexite des traitements techniques sous-jacents.

Comme dans tout systeme complexe, c'est Ie maillon Ie plus faible qui im­pose la qualite de l'ensemble. Nul doute qu'il s'agit de l'interface radio entre les terminaux et Ie reseau dans un systeme radiomobile. Les defis a relever sont nombreux : propagation a trajets multiples qui provo que des echos et des evanouissements du signal, fluctuation du canal du fait des deplacements des terminaux, interferences engendrees par la necessaire reutilisation des fre­quences, arrivee sporadique des requetes de service et variation dans Ie temps ou l'espace du rythme d'arrivee de ces requetes. La conception d'une interface radio s'apparente a un numero d'equilibriste au cours duquell'optimisation de la transmission pour un terminal ne doit pas se faire au detriment des perfor­mances glob ales du systeme. En d'autres termes, il faut a la fois des compe­tences en communication numerique et en traitement de signal mais egalement des connaissances en reseaux pour comprendre Ie fonctionnement d'un systeme radiomobile. La redaction d'un ouvrage pedagogique presentant les interfaces radios des reseaux mobiles est donc une entreprise perilleuse.

Le livre redige par Marceau Coupechoux et Philippe Martins presente de fagon rigoureuse les technologies UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) et HSPA (High Speed data Packet) qui sont les plus utilisees actuelle­ment en France pour l'acces mobile Internet a haut debit et LTE (Long Term Evolution) qui est appele a une expansion rapide. A juste titre, l'ouvrage se concentre sur les interfaces radios et en extrait les elements essentiels. Sans faire l'impasse sur les techniques de traitement de signal avancees (diversite de transmission, antennes MIMO, etc.) - qui ont une place essentielle dans ces systemes car leur adoption a permis l'augmentation considerable des de­bits offerts - l'ouvrage adopte une approche reseau a travers une presentation structuree des protocoles. Il s'adresse aussi bien a l'etudiant desireux de com­prendre ces technologies qu'a l'ingenieur soucieux de trouver une information precise et fiable.

x Vers les systemes radiomobiles de 4e generation

Je tiens par consequent a saluer l'initiative des auteurs qui se sont appuyes sur leur grande experience d'enseignant-chercheur dans Ie domaine pour redi­ger cet ouvrage dont on ne doute pas qu'il fera rapidement reference dans Ie domaine de la telephonie mobile.

Xavier Lagrange Professeur a Telecom Bretagne

Avant-propos

Il est devenu un lieu commun de dire que les telecommunications ont connu une revolution avec l'avenement des reseaux cellulaires. Considerons pourtant tout Ie chemin parcouru depuis Ie debut des annees 1990. L'utilisateur peut de­sornmis initier des appels telephoniques en n'importe que 1 endroit du territoire ou depuis l'etranger (fonction d'itinerance), tout en etant mobile (fonction de handover). Depuis Ie debut des annees 2000, les services dits «paquets» lui permettent de naviguer sur Internet, de telecharger des fichiers, notamment des fichiers audio et video. Regarder la television sur un mobile, passer des appels en visiophonie font aujourd'hui partie du quotidien. Les debits actuels se de­clinent en megabits par seconde et les applications presentent une reactivite accrue. Les terminaux ont egalement fait des progres spectaculaires en termes de rapidite, d'ergonomie et de qualite d'ecran. Ils se presentent sous de nou­velles formes : telephones, telephones intelligents (ou smartphones) , tablettes, cles USB. De nombreux equipements utilisent egalement les reseaux cellulaires sans que l' on en ait conscience (communications de machine a machine, reseaux de capteurs, etc.).

Tous ces changements se font dans un contexte de competition effrenee entre les grands industriels du secteur (qui tentent d'imposer leurs solutions souvent brevetees aux organismes de normalisation) et d'emulation scientifique entre universitaires et centres de recherche. De maniere concomitante, l'essor des reseaux mobiles suscite aussi aupres du grand public l'emergence de craintes alors que les antennes relais se multiplient (quel est leur impact sur la sante 7) et que la consommation energetique induite par la multiplication des equipements s'accroit (quel est l'impact de ces technologies sur l'environnement 7).

Le present ouvrage ne saurait, bien sur, aborder l'ensemble des questions que nous venons d'evoquer ni me me l'ensemble des techniques mises en ceuvre dans Ie cadre des reseaux cellulaires au fil de leur evolution depuis l'apparition de ce que l'on appelait alors la « telephonie mobile» dans les annees 1990. Le propos se limite ici a la presentation de certaines technologies qui jouent un role cle pour rendre possible Ie miracle de la communication sans fil. Quels sont les mecanismes qui contribuent au transfert de l'information 7 Comment combattre les degradations subies par Ie signal radio 7 Quels sont les messages echanges entre Ie terminal et Ie reseau 7 Comment rendre possible la mobilite des interlocuteurs 7 Quelles sont les techniques qui permettent d'augmenter Ie

xii Vers les systemes radiomobiles de 4e generation

debit 7 Quelles ont ete les choix techniques effectues par l'organisme de nor­malisation 3GPP 7 Voici Ie type de questions auxquelles tente de repondre cet ouvrage pour les normes 3G, 3G+ et LTE.

Nous avons choisi de suivre une approche chronologique en present ant suc­cessivement les normes 3GPP apparues ces dernieres annees : l'UMTS, cou­ramment appelee la troisieme generation ou 3G (chapitre 2), et ses evolutions HSDPA, HSUPA et HSPA+, parfois regroupees sous l'appellation 3G+ (res­pectivement dans les chapitres 3, 4 et 5), et enfin la technologie aujourd'hui en cours de deploiement, a savoir Ie LTE (chapitre 6). Un chapitre introductif (chapitre 1) presente un ensemble de definitions et concepts propres aux re­seaux cellulaires 3GPP et brosse une vue d'ensemble de l'evolution des reseaux 3GPP et de leurs caracteristiques. L'approche historique presente l'avantage d'aborder les normes en decrivant leurs evolutions successives. En effet, les normes 3G+ s'appuient en tres grande partie sur l'existant. Meme en LTE, de nombreux concepts ont ete repris de la norme UMTS et certains proto coles de LTE sont similaires a leurs homologues de l'UMTS. L'ouvrage n'entend pas donner une description exhaustive des normes presentees. Il a plutOt pour am­bition de fournir une vision synthetique, didactique et coherente permettant a l'etudiant, l'ingenieur ou l'enseignant-chercheur de comprendre Ie fonction­nement des systemes et, s'il desire aller plus loin, d'aborder avec confiance la somme des documents 3GPP. Enfin, ce livre s'adresse a la communaute fran­cophone des « Reseaux» en insist ant sur les proto coles de l'interface radio. Les aspects concernant Ie traitement du signal, les communications numeriques ou la propagation radio ne sont donc pas detailles au-dela du necessaire.

Nous avons fait en sorte autant que possible d'organiser la presentation des notions essentielles pour qu'elles soient abordables sans prerequis. Neanmoins, la lecture de cet ouvrage sera grandement facilitee aux lecteurs qui sont familiers avec les reseaux GSM, la propagation radio, les pro cedes d'etalement de spectre et les codes correcteurs d'erreur.

A l'issue du premier chapitre, no us avons choisi de no us concentrer exclusi­vement sur l'interface radio. Les chapitres abordent successivement les couches protocolaires de chaque systeme et en donnent les caracteristiques principales. La couche physique (PHY) doit permettre a l'information d'etre echangee avec une qualite suffisante entre Ie terminal et l'antenne relais. La sous-couche d'ac­ces au medium (MAC) assure la gestion de la ressource radio commune entre les utilisateurs. La sous-couche de controle de la liaison radio (RLC) rend plus fiable Ie lien radio en organisant la retransmission des informations perdues ou erronees. Enfin, la couche de controle des ressources radio (RRC) joue un role de chef d'orchestre dans l'allocation des ressources, la gestion des mesures et la configuration des couches inferieures. Bien que ces fonctions soient communes a tous les systemes, les choix techniques qui president a leur implementation different selon les versions (ou releases) 3GPP. Ces choix sont dictes par l'ef­ficacite (quel gain peut-on attendre en termes de debit ou de latence 7), la complexite et Ie coilt d'implementation (un choix technique peut retarder la mise en service d'un systeme ou rendre les equipements trop onereux) et les avancees scientifiques apparues depuis l'introduction du precedent systeme.

Avant-propos xiii

N ous avons particulierement insiste sur les differences entre les versions 3GPP successives, en soulignant les avancees veritables apportees mais aussi en montrant les inconvenients ou la complexite excessive de certains choix tech­niques.

Par ailleurs, plusieurs techniques de transmission radio se sont peu a peu imposees dans les systemes sans fi1. Que l'on parle des reseaux cellulaires conformes aux normes du 3GPP, des reseaux locaux sans fil WiFi ou des sys­temes WiMAX standardises par l'IEEE, il est difficile de faire l'impasse sur un certain nombre d'entre elles : les protocoles hybrides de retransmission sur er­reur (HARQ), les transmissions multi-antennaires (MIMO), l'ordonnancement (scheduling) rapide ou l'acces multi-porteuse (OFDMA). Au fil de l'ouvrage, nous nous sommes efforces de les presenter de maniere didactique au moment de leur apparition dans les normes 3GPP. On trouvera ainsi une introduction a l'ordonnancement rapide et au HARQ dans Ie chapitre 3, a la formation de faisceaux et aux MIMO dans Ie chapitre 5 ou a l'OFDMA et aux reseaux isofrequences (SFN) dans Ie chapitre 6.

Cet ouvrage est Ie fruit de nombreuses annees d'enseignement en ecoles d'ingenieur ou en formation continue. Nous exprimons notre reconnaissance aux etudiants qui nous ont conduit a ameliorer progressivement notre presentation ainsi qu'a nos collegues de Telecom ParisTech avec lesquels no us avons eu des echanges fructueux durant ces annees. Les complements et errata eventuels sont disponibles sur Ie site http://3g4g . enst . fro Les lecteurs desireux de nous envoyer leurs remarques peuvent Ie faire a l'adresse electronique suivante : 4g.coupechoux.martins©gmail.com.

Nous tenons enfin a remercier Jerome Brouet, Nicolas Dailly, Christophe Gruet, Jean-Marc Kelif, Vinod Kumar, Xavier Lagrange, Loutfi Nuyami, Ni­colas Puech et Claude Rigault pour leurs contributions a la mise au point du manuscrit. Nous exprimons tout particulierement notre reconnaissance a Phi­lippe Godlewski qui coordonne avec no us les enseignements sur les reseaux cellulaires a Telecom ParisTech.

Marceau Coupechoux et Philippe Martins Paris, Nankin, Bangalore, juin 2012

... A propos des auteurs

Marceau COUPECHOUX est maitre de conferences a Telecom ParisTech. Ingenieur diplome de Telecom ParisTech et de l'universite de Stuttgart (Al­lemagne), il est docteur de l'Institut Eurecom a Sophia-Antipolis. De 2000 a 2005, Marceau Coupechoux a travaille chez Alcatel-Lucent sur la planification des reseaux cellulaires. Au departement Informatique et reseaux de Telecom ParisTech, ses travaux de recherche portent sur les reseaux radio mobiles, sans fil, ad hoc ou cognitifs. Ses publications concernent principalement les proto­coles, l'ordonnancement et l'allocation des ressources radio. Il est l'auteur ou Ie co-auteur d'une soixantaine d'articles de journaux internationaux ou commu­nications a des conferences et il a pris part au depot de 9 brevets.

Philippe MARTINS est professeur a Telecom ParisTech et membre du depar­tement Informatique et Reseaux de cette ecole depuis 1997. Ingenieur titulaire d'un DEA en traitement du signal de l'universite d'Orsay et docteur de Tele­com ParisTech, il est responsable du mastere specialise radiomobile de Telecom ParisTech et il organise regulierement des sessions de formation continue dans Ie domaine des reseaux radio mobiles. Ses activites de recherche portent sur les reseaux mobiles et sur l'evaluation de leurs performances. Il a aussi travaille sur les politiques d'allocation de ressource et d'ordonnancement, les algorithmes de handover et la metrologie radio. Ses travaux ont fait l'objet de nombreuses pu­blications dans des conferences et des journaux internationaux. Il est senior member de l'IEEE.

Sommaire

Preface

Avant-propos

A propos des auteurs

1 Evolution des standards 3GPP 1.1 Presentation generale des standards

1.2

1.3

1.1.1 Du GSM a la quatrieme generation . 1.1.2 Typologie des services 3GPP .... 1.1.3 Services accessibles depuis l'UMTS . 1.1.4 Historique et evolutions des services supports

de transfert de donnees sur l'interface radio . 1.1.5 Organisation et caracteristiques des standards

3GPP ...................... . Principes gene raux sur l'architecture d'un systeme 3GPP ................ . 1.2.1 Independance de l'architecture fonctionnelle

et du reseau de transport ..... . 1.2.2 Strates et domaines ........ . 1.2.3 Identites de l'abonne et du terminal Evolution des architectures des systemes 3GPP .................. . 1.3.1 Evolution des reseaux d'acces 3GPP : de l'UTRAN a l'E-

vii

xi

xv

1 2 2

2

4

5

6

8

8 8

11

12

UTRAN. . . . . . . . . . 12 1.3.2 Evolution du reseau cmur . . . . 16

2 Fondements de l'interface radio UMTS 2.1 Introduction ........... . 2.2 Architecture de l'interface radio. 2.3 Couche physique . . . . . . . . .

2.3.1 Caracteristiques generales 2.3.2 Modulation et etalement de spectre 2.3.3 Services et fonctions de la coudle physique

2.4 Differents canaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23 23 24 26 26 28 30 30

xviii Vers les systemes radiomobiles de 4e generation

2.4.1 Canaux physiques . 2.4.2 Canaux de transport 2.4.3 Canaux logiques .

2.5 Couche liaison de donnees 2.5.1 Sous-couche MAC 2.5.2 Sous-couche RLC . 2.5.3 2.5.4 2.5.5

Identites du reseau d'acces Sous-couche BMC . Sous-couche PDCP . . . . .

2.6 Procedures radio ......... . 2.6.1 Etats d'un mobile: evolution de GSM a UMTS 2.6.2 2.6.3 2.6.4

Procedure de selection de cellule Procedures de reselection Acces aleatoire . . . .

2.6.5 Contr6le de puissance 2.7 Principales procedures RRC .

2.7.1 Voie balise UMTS .. 2.7.2 Etablissement de la connexion RRC 2.7.3 Etablissement d'un radio bearer. 2.7.4 Procedures de reconfiguration . 2.7.5 Remontee des mesures ..... . 2.7.6 Procedures de handovers 2.7.7 Procedures de cell update et d' URA update

3 HSDPA: la voie descendante rapide du 3GPP 3.1 Introduction ........... . 3.2 Architecture de l'interface radio. 3.3 Couche physique . . . . . . . . .

3.3.1 Caracteristiques generales 3.3.2 Canaux physiques introduits par la release R5 3.3.3 Canal de transport HS-DSCH . 3.3.4 Canal physique F-DPCH

3.4 Sous-couche MAC ....... . 3.4.1 Multiplexage des donnees et flux MAC-d 3.4.2 Entite MAC-hs ..... . 3.4.3 HARQ .......... . 3.4.4 Adaptation de lien rapide 3.4.5 Ordonnancement

3.5 Categories de terminaux . . . . .

4 HSUPA: la voie montante rapide du 3GPP 4.1 Introduction ........... . 4.2 Architecture de l'interface radio. 4.3 Couche physique . . . . . . . . .

4.3.1 Caracteristiques generales

31 37 42 44 44 47 54 54 55 56 56 59 61 63 64 65 66 68 70 70 72 73 75

77 77 78 79 79 80 85 90 92 92 93 96

100 103 104

107 107 108 109 109

Sommaire xix

4.3.2 Canaux physiques introduits par la release R6 4.3.3 Canal de transport E-DCH ... .

4.4 Sous-couche MAC ............ . 4.4.1 Flux MAC-d sur la voie montante 4.4.2 Entites MAC-es et MAC-e .... . 4.4.3 HARQ ............... . 4.4.4 Selection de l'E-TFCI et adaptation de lien 4.4.5 Ordonnancement

4.5 Categories de terminaux .....

5 HSPA+: les evolutions de HSPA 5.1 Introduction ..... 5.2 Couche physique ..

5.3

5.4 5.5

5.2.1 Modulations 5.2.2 MIMO .... 5.2.3 Etat CELL FACH etendu 5.2.4 Continuous Packet Connectivity (CPC) 5.2.5 Double porteuse ............ . 5.2.6 Canaux physiques modifies par les releases R7 et R8 Couche liaison de donnees . . . . 5.3.1 Entite MAC-ehs ..... 5.3.2 Entites MAC-i et MAC-is 5.3.3 Sous-couche RLC . 5.3.4 Voix sur HSPA ..... . Categories de terminaux . . . . . Procedures RRC en HSPA et HSPA+ 5.5.1 Evolutions des caracteristiques des etats RRC . 5.5.2 Procedures de gestion de la mobilite ..... .

6 LTE: vers la quatrieme generation 6.1 Introduction ........... . 6.2 Buts de la normalisation LTE .. 6.3 Architecture de l'interface radio. 6.4 Couche physique . . . . . . . . .

6.4.1 Caracteristiques generales 6.4.2 Techniques de transmission et de multiplexage 6.4.3 Diffusion dans un reseau isofrequence 6.4.4 Techniques multi-antennaires ......... . 6.4.5 Sequences de Zadoff-Chu ........... .

110 116 120 120 121 124 127 130 135

137 137 138 138 138 145 151 154 156 161 161 165 168 168 171 172 172 173

175 175 176 176 177 177 179 186 188 197

6.4.6 Structure de trame et organisation des ressources radio 198 6.4.7 Services et fonctions de la couche physique 203

6.5 Differents canaux . . . . . . . . . . . 203 6.5.1 Canaux et signaux physiques 203 6.5.2 Canaux de transport 220 6.5.3 Canaux logiques . . . . . . . 227

xx Vers les systemes radiomobiles de 4e generation

6.6 Procedures de couche physique et MAC 6.6.1 Recherche de cellule . 6.6.2 Controle de puissance 6.6.3 Acces aleatoire ... . 6.6.4 Avance en temps .. . 6.6.5 Allocation de ressources 6.6.6 Adaptation de lien ... 6.6.7 Remontees de CQI/PMI/RI . 6.6.8 HARQ ............ . 6.6.9 Ordonnancement ...... . 6.6.10 Reception discontinue (DRX)

6.7 Couche liaison de donnees . . . 6.7.1 Structure de la couche 2 6.7.2 Sous-couche MAC . 6.7.3 Sous-couche RLC .. 6.7.4 Sous-couche PDCP .

6.8 Categories de terminaux . . 6.9 Procedures radio ..... .

6.9.1 Proto coles de signalisation de la NAS 6.9.2 Etats EMM et ECM .. 6.9.3 Etats RRC d'un mobile . 6.9.4 Procedures de selection .

229 229 230 234 236 237 239 241 246 250 253 254 254 255 258 265 268 269 269 270 271 272

6.9.5 Procedures de reselection 273 6.10 Protocole RRC . . . . . . . . . . 276

6.10.1 Gestion, ordonnancement et diffusion des informations systeme ...... 277

6.10.2 Transfert des messages de paging . . . 279 6.10.3 Etablissement de la connexion RRC . 280 6.10.4 Reconfiguration de la connexion RRC 280 6.10.5 Procedure de retablissement d'une connexion RRC 282 6.10.6 Procedure de Counter Check . . . . . . . . 283 6.10.7 Transport des informations de signalisation

de la NAS .................. . 6.10.8 Activation du chiffrement et des procedures

de controle d'integrite . . . . . . . . . . . .

283

284

Conclusion 285

Bibliographie 287

Index 295

Liste des acronymes 301