L’analyse de cas réseau 4G LTE révèle que 100 Mbit/s en voie descendante sont désormais un standard, mais comment répondre à la demande croissante des utilisateurs ? Découvrez les défis du déploiement et les solutions innovantes pour optimiser la couverture radio tout en réduisant les coûts.
Caractéristiques fondamentales du réseau LTE
Débits et fréquences du réseau LTE
Le débit fourni à un utilisateur dépend de ses conditions radio, liées en particulier à sa position dans la cellule, des techniques de transmission employées et de la ressource spectrale disponible. La technologie LTE fonctionne dans une variété de fréquences selon la zone géographique couverte. Les objectifs de débit maximal définis pour le LTE sont les suivants :
- 100 Mbit/s en voie descendante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz, soit une efficacité spectrale crête de 5 bit/s/Hz.
- 50 Mbit /s en voie montante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz, soit une efficacité spectrale crête de 2,5 bit/s/Hz.
Ces chiffres supposent une UE de référence comprenant : deux antennes en réception et une antenne en émission. [18]
Mobilité
La mobilité est une fonction clé pour les réseaux mobiles. Le LTE vise à rester fonctionnel pour des UE en se déplaçant à des vitesses élevées (jusqu’à 350 km/h, et même 500 km/h en fonction de la bande de fréquences), tout en étant optimisées pour des vitesses de l’UE faibles (entre 0 et 15 km/h). L’effet des « handovers » intra-système (procédure de mobilité entre deux cellules LTE) sur la qualité vocale est moins qu’en GSM, ou Équivalent. Le système intègre également des mécanismes en optimisant les délais et la perte de paquets lors d’un handover intra-système [19].
Le réseau tout IP
Le SAE désigne une étude dans laquelle la 3GPP élabore une architecture pour la transition et la mise à niveau des systèmes existants vers un système capable de prendre en charge des diverses technologies d’accès, offrant un débit de données plus élevé et basé sur la commutation de paquets. D’un autre côté, l’EPC désigne le nom du noyau de réseau évolué.
Tous les services de télécommunication sont offerts sur IP en mode paquet qui permet ainsi l’interconnexion avec le domaine paquet des réseaux de génération antérieur GPRS. Cette caractéristique réduit la latence et optimise la fluidité du cœur du réseau. [13]
La latence
La latence d’un système est la capacité du système à répondre rapidement aux demandes d’utilisateurs ou de services. On distingue deux types de latence :
- La latence du plan contrôle :
Elle représente le temps nécessaire pour établir une connexion et accéder au service.
L’objectif pour le LTE est d’avoir une latence inférieure 100 ms.
- La latence du plan usager :
C’est le temps de transmission d’un paquet entre la couche IP de l’UE et la couche IP d’un nœud du réseau d’accès. En d’autres termes, la latence du plan usager correspond au délai de transmission d’un paquet IP au sein du réseau d’accès. L’objectif pour le LTE est d’avoir une latence de plan usager inférieure à 5 ms dans des conditions de faible charge du réseau et pour des paquets IP de petite taille [8].
L’interface radio du 4G
L’interface radio LTE (Long Term Evolution) repose essentiellement sur le mode paquet et la notion de bloc ressource. L’article aborde les caractéristiques du signal transmis, la gestion des formats de transport et les structures liées au multiplexage temporel. [27]
L’architecture de l’interface radio
L’interface radio est constituée du plan usager et du plan de contrôle. Ces deux plans sont matérialisés par des piles protocolaires qui partagent un tronc commun (la partie inférieure) et qui se distinguent notamment dans les interactions avec les couches supérieures. La figure
2.02 représente ces deux piles protocolaires. [11]
[5_analyse-de-cas-optimisation-de-la-couverture-4g-lte_10]
Source: URL
Figure 2.04 : Piles protocolaires des plans usager et de contrôle sur l’interface radio
La signalisation NAS (Non Access Stratum) qui fait référence aux fonctions et services indépendants de la technologie d’accès est véhiculée par le plan de contrôle de l’interface radio, son plan usager permet de transporter sur celle-ci les paquets délivrés ou à destination de la couche IP. [8]
Les données traitées par PDCP, RLC, MAC et PHY appartiennent :
- Au plan de contrôle lorsqu’il s’agit de données de signalisation communiquées par la couche RRC ;
- Au plan usager lorsqu’il s’agit d’autres données (transmises par la couche IP).
Les différents canaux physiques permettent d’assurer l’accès d’un terminal au réseau. La couche MAC permet le multiplexage de différents flux et assure un taux d’erreur modéré grâce à un protocole de retransmission. RLC assure la qualité de service par des retransmissions si nécessaire. PDCP garantit la sécurité et permet la compression des données et des en-têtes. Enfin, la couche RRC sert au contrôle de l’interface radio et assure la diffusion et le décodage d’information système pour tous les équipements en mode veille, l’envoi et a réception de paging pour l’établissement d’appel destiné à un UE en mode veille, le contrôle des mesures de l’UE et le contrôle de la mobilité en mode veille.
[27] [11]
Les canaux radio
L’interface radio E-UTRAN doit avoir la capacité de transmettre des données à haut débit et avec une faible latence. Le système LTE, de manière semblable à l’UMTS, emploie le concept de canal pour déterminer les types de données transportées sur l’interface radio, les attributs de qualité de service correspondants, ainsi que les paramètres physiques liés à la transmission. Les canaux de l’interface radio sont des points d’accès aux services proposés par une couche N : ils permettent à la couche N+1 de délivrer à cette couche N des données qui devront être traitées (et éventuellement marquées) selon les spécificités du canal. On distingue trois classes de canaux, selon les couches du modèle OSI auxquelles ils sont attachés. [8]
- Les canaux logiques
Les canaux logiques, qui fonctionnent entre les couches RLC et MAC, qui sont déterminés en fonction du type d’information qu’ils véhiculent (par exemple : signalisation du plan de contrôle ou données du plan utilisateur).
Les canaux logiques de contrôle sont :
- BCCH (Broadcast Control Channel), un canal commun en downlink, utilisé par le réseau pour broadcaster les informations systèmes de l’E-UTRAN à l’ensemble des terminaux présents dans une cellule radio (identifiant de la cellule, largeur de bande DL, etc.).
- PCCH (Paging Control Channel), un canal commun en downlink qui transmet les informations de paging aux terminaux présents dans une cellule.
- CCCH (Common Control Channel) utilisé pour la transmission de la signalisation, quand elle ne peut être transmise sur un canal dédié (DCCH). Ce canal est typiquement utilisé dans les premières phases de l’établissement de communication.
- DCCH (Dedicated Control Channel), un canal point-à-point bidirectionnel qui supporte les informations de contrôle entre un terminal donné et le réseau. Il supporte uniquement les signalisations RRC et NAS (ex : message commandant à l’UE de réaliser un handover).
Le canal logique de trafic est le DTCH (Dedicated Traffic Channel), un canal point-à-point bidirectionnel utilisé entre un terminal donné et le réseau. Il porte les informations de trafic dédiées à un utilisateur. [8]
- Les canaux de transport
Les canaux de transport, qui opèrent entre la couche MAC et la couche physique, sont définis par la manière et les propriétés avec lesquelles les données sont acheminées par l’interface radio (par exemple, la méthode d’accès aux ressources radio)
Les canaux de transport en downlink sont :
- BCH (Broadcast CHannel) : sert à la diffusion d’information sur la cellule.
- DL-SCH (Downlink Shared CHannel) : utilisé pour la transmission de données dédiées de contrôle et du plan usager.
- PCH (Paging CHannel) : utilisé pour diffuser les informations de paging sur l’ensemble de la cellule.
Les canaux de transport en uplink sont :
- RACH (Random Access CHannel) : utilisé pour l’établissement d’une connexion RRC avec la station de base et le rétablissement lors d’un handover.
- UL-SCH (Uplink Shared CHannel) : utilisé pour la transmission de données dédiées de contrôle et du plan usager. [11]
- Les couches physiques
Les couches physiques sont utilisées par la couche physique et sont définies par les caractéristiques physiques de leur transmission (par exemple, leur emplacement dans la trame).
Les canaux physiques en downlink sont :
- PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) qui transporte les données usagers et la signalisation des couches hautes.
- PDCCH (Physical Downlink Control Channel) qui transporte les assignations d’ordonnancement pour le lien montant.
- PBCH (Physical Broadcast Channel) qui transporte les informations systèmes.
- PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) qui informe l’UE sur le nombre de symboles OFDM utilisé pour le PDCCH.
- Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) qui transporte les ACK et NACK des réponses de l’eNodeB aux transmissions en uplink relative au mécanisme HARQ.
Les canaux physiques en uplink sont :
- PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) qui transporte les données utilisateurs et la signalisation des couches hautes.
- PUCCH (Physical Uplink Control Channel) qui transporte les informations de contrôle, comprend les réponses ACK et NACK du terminal aux transmissions downlink, relative au mécanisme HARQ.
- PRACH (Physical Random Access Channel) qui transporte le préambule de l’accès aléatoire envoyé par les terminaux au réseau d’accès. [11]
Mode de duplexage en LTE
Le duplexage détermine la façon dont les communications sont réparties entre la liaison descendante et liaison montante. La liaison descendante implique la transmission depuis la station de base vers l’UE. La liaison montante concerne la transmission à l’UE vers la station de base. Il existe deux principaux modes de duplexage tous gérés par l’interface radio du LTE :
- Le duplexage en fréquence ou Frequency Division Duplex (FDD) ;
- Le duplexage en temps ou Time Division Duplex (TDD). [23]
- Le mode FDD [24]
En mode FDD, les voies montante et descendante opèrent sur deux fréquences porteuses séparées par une bande de gardes.
[5_analyse-de-cas-optimisation-de-la-couverture-4g-lte_11]
Source: URL
Figure 2.05 : mode FDD.
- Le mode TDD
Le TDD (Time-Division Duplex) est une technique permettant à un canal de télécommunication utilisant une même ressource de transmission (un canal radio) de séparer dans le temps l’émission et la réception.
En mode TDD, les voies montante et descendante utilisent la même fréquence porteuse, le partage entre les deux directions s’effectuant dans le domaine temporel. Le TDD permet d’optimiser le système pour une éventuelle asymétrie du trafic entre les deux voies. Concrètement, le volume de trafic en voie descendante est généralement plus important qu’en voie montante. L’opérateur peut alors configurer un plus grand nombre de sous-trames descendantes que de sous-trames montantes. [13]
[5_analyse-de-cas-optimisation-de-la-couverture-4g-lte_12]
Source: URL
Figure 2.06 : le mode TDD [24]
________________________
Questions Fréquemment Posées
Quels sont les débits maximaux du réseau 4G LTE?
Les objectifs de débit maximal définis pour le LTE sont de 100 Mbit/s en voie descendante et de 50 Mbit/s en voie montante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz.
Quelle est la latence cible pour le réseau LTE?
L’objectif pour le LTE est d’avoir une latence inférieure à 100 ms pour le plan de contrôle et inférieure à 5 ms pour le plan usager dans des conditions de faible charge du réseau.
Comment la mobilité est-elle gérée dans les réseaux 4G LTE?
Le LTE vise à rester fonctionnel pour des utilisateurs en se déplaçant à des vitesses élevées, tout en étant optimisé pour des vitesses faibles, avec des mécanismes qui optimisent les délais et la perte de paquets lors d’un handover intra-système.