Comment les applications pratiques du réseau 4G LTE transforment la couverture radio ?

Les applications pratiques du réseau 4G LTE révèlent une augmentation de 50 % de la qualité de service attendue par les utilisateurs. Cette recherche met en lumière les défis du déploiement et l’optimisation des ressources, offrant des solutions critiques pour un avenir connecté.

CHAPITRE 2

ÉTUDES APPROFONDIES DU RÉSEAU 4G LTE

Introduction à la technologie LTE

Le système LTE est une évolution des technologies 3GPP (GSM/GPRS/EDGE puis UMTS) qui a été définie pour répondre aux défis posés par l’explosion de l’internet mobile. L’analyse des besoins pour LTE a déterminé que tous les nouveaux services seront de type données, transportés par des protocoles paquet. Cette technologie a pour but de permettre le transfert de données à très haut débit, avec une portée plus importante, un nombre d’appels par cellule supérieur et un temps de latence plus faible. [12] [8]

Normalisation du LTE

Le LTE a été défini par l’ensemble des entreprises parties prenantes dans le marché mondial des télécommunications mobiles, regroupées au sein du 3GPP créé en 1998 à l’initiative de l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute).

Une Release correspond à un ensemble de nouvelles fonctionnalités introduites dans la norme par les groupes du 3GPP dans une période de temps donnée. Le 3GPP a défini 15 Releases entre 1998 et 2018 qui sont :

• Release 97(1998) : Définition du GPRS ;
• Release 99(2000) : Introduction de l’UMTS ;
• Release 4 (2001) : Ajout de fonctionnalités au sein du réseau cœur, notamment la séparation des couches média et contrôle pour le réseau cœur circuit ;
• Release 5 (2002) : Introduction de l’évolution HSDPA pour le réseau d’accès UMTS,
• Release 6 (2004) : Introduction de l’évolution HSUPA pour le réseau d’accès UMTS ;
• Release 7 (2007) : Introduction du HSPA+ MIMO ;
• Release 8 (2008) : Introduction des évolutions Dual cell C-HSDPA, et première Release du réseau d’accès LTE et du réseau cœur EPC
• Release 9 (2009) : Évolutions du DC-HSDPA, notamment en combinaison avec le MIMO, et introduction du DC-HSUPA ; seconde Release du LTE ;
• Release 10 (2011) : Évolution multiporteuse du HSDPA (jusqu’à 4 porteuses, soit 20 MHz) et introduction de l’évolution du LTE appelée LTE-Advanced ;
• Release 11 (2012): Advanced IP Interconnection of Services (IMS);
• Release 12 (2015): Enhanced Small Cells, massive MIMO;
• Release 13 (2016): LTE-Advanced Pro. LTE pour Machines, Full-Dimension MIMO;
• Release 14 (2017): Video over LTE , evoluted TV-services , massive Internet of Things ;
• Release 15 (2018): La 5G [20].

Architectures du réseau LTE

La Figure 2.01 décrit l’architecture générale du réseau 4G. Il se divise en trois domaines : l’équipement utilisateur UE (User Equipment), le réseau d’accès E-UTRAN (Evolved-UMTS Terrestrial Access Network) et le réseau cœur EPC (Evolved Packet Core). [11]

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Figure 2.01 : Architecture générale du LTE [14]

Les réseaux de télécommunications sont souvent interconnectés pour permettre la transmission de données entre eux. Dans le cas du réseau 4G LTE, les interconnexions sont établies entre les stations base LTE et le réseau de cœur LTE, ainsi qu’entre le réseau de cœur LTE et d’autres réseaux de télécommunications tels que l’internet.

L’équipement utilisateur (UE)

L’architecture interne de l’équipement utilisateur pour LTE est identique à celle utilisée par l’UMTS et le GSM qui est en fait un équipement mobile. L’équipement mobile comprenait les modules importants suivants :

• Mobile Termination (MT) : Gère toutes les fonctions de communication.
• Terminal Equipment (TE) : Ceci met fin aux flux de données.
• Carte à circuit intégré universel (UICC) : Elle est également connue sous le nom de carte SIM pour les équipements LTE. Il exécute une application connue sous le nom de Universal Subscriber Identity Module (USIM).

Un USIM stocke des données spécifiques à l’utilisateur très similaire à la carte SIM 3G. Cela permet de conserver des informations sur le numéro de téléphone de l’utilisateur, l’identité du réseau domestique et les clés de sécurité, etc.

Le réseau d’accès : E-UTRAN

L’architecture E-UTRAN ne présente que des eNodeB. L’eNodeB est responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE. Les fonctions supportées par le RNC (architecture 3G) ont été réparties entre l’eNodeB et les entités du réseau cœur MME/Serving GW. L’eNodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur qui se divise en S1- C (S1- Contrôle) entre l’eNodeB et la MME et S1-U (S1-Usager) entre l’eNodeB et la SGW. Une nouvelle interface X2 a été définie entre deux eNodeB adjacents. Son rôle est de minimiser la perte de paquets lors de la mobilité de l’usager en mode ACTIF (Handover). [8]

• Les eNodeBs sont reliés entre eux par une interface X2 : c’est une interface logique. Elle est introduite dans le but de permettre aux eNodeBs d’échanger des informations de signalisation durant le « handover » ou la signalisation.
• Les eNodeBs sont reliés au cœur du réseau à travers l’interface S1 : c’est l’interface intermédiaire entre le réseau d’accès et le réseau cœur. Elle peut être divisée en deux interfaces élémentaires : Cette dernière consiste en S1-U (S1- Usager) entre l’eNodeB et le SGW et S1-C (S1-Contrôle) entre l’eNodeB et le MME.

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Figure 2.02 : Architecture de l’E-UTRAN.

Le réseau cœur : EPC

Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des technologies « full IP », c’est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation, le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet. [16]

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Figure 2.03 : Architecture de l’EPC. [8]

L’EPC d’un opérateur LTE est principalement constitué de :

• • • 1. Mobile Management Entity : MME

Le MME se compose des fonctions principales dans le plan de contrôle. Il sert à gérer des sessions : signalisation, et négociation des qualités de service, à fournir des procédures de sécurité telles que : initiation, et négociation de chiffrement/protection d’intégrité, et à mettre à jour la position de l’UE.

• • • 1. Serving Gateway : S-GW

S-GW achemine des paquets de l’eNodeB vers le réseau cœur et vice-versa. Il est comme une ancre locale qui sert pour la mobilité inter-eNodeBs et vers les réseaux 3GPP (interconnexions de LTE avec les autres 3GPP). Les paquets transmis inter-eNodeBs (inter-réseaux 3GPP) sont en transit via cette ancre.

• • • 1. Packet data network Gateway: P-GW

Le P-GW fournit des connexions entre les réseaux LTE et d’autres réseaux IP, PSTN, non- 3GPP. L’allocation d’adresse IP pour l’UE, filtrage des paquets pour chaque utilisateur (Policy Enforcement Point), et le support de la tarification d’une session sont des autres fonctions du P- GW. Le P-GW peut se connecter avec les réseaux PSTN et les réseaux IP grâce à l’IMS, une architecture « overlay » par rapport au LTE, servant à établir, modifier et contrôler des sessions. [17]

• • • 1. Home Subscriber Server : HSS

Le HSS contient les informations de souscription de l’utilisateur telles que le profil de QoS (Quality of Service) de l’abonné ou de restriction d’accès en itinérance. Il contient également les informations concernant les réseaux de données ou PDN (Packet Data Network) auxquels l’utilisateur peut se connecter. Par ailleurs, le HSS supporte des informations dynamiques telles que l’identité du MME auquel l’utilisateur est actuellement attaché. Il peut aussi intégrer le centre d’authentification AuC qui permet l’authentification des abonnés et fournit les clés de chiffrement nécessaires.

• • • 1. Policy and Charging Rules Function: PCRF

Le PCRF est un nœud optionnel au sein de l’architecture EPC. Toutefois, il permet d’appliquer des règles de gestions évoluées sur le trafic et la facturation de l’utilisateur en fonction de son offre. Pour mettre en œuvre ces règles, il communique avec le PCEF (Policy Control Enforcement Function), fonction intégrée à la P-GW. Le PCRF peut également indiquer lors de l’établissement d’une session ou en cours d’une session les caractéristiques de la qualité de service à appliquer par le PCEF. [11]

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² Définition donnée par l’article 62 de la loi sur les nouvelles régulations économiques (NRE) du 15 mai 2001. ↑

³ Auchan Les 4 Temps, La Défense. ↑

Questions Fréquemment Posées

Qu’est-ce que la technologie LTE et comment a-t-elle évolué?

Le système LTE est une évolution des technologies 3GPP qui a été définie pour répondre aux défis posés par l’explosion de l’internet mobile. Elle permet le transfert de données à très haut débit avec une portée plus importante et un temps de latence plus faible.

Quelles sont les principales releases du LTE définies par le 3GPP?

Le 3GPP a défini 15 Releases entre 1998 et 2018, incluant des évolutions majeures comme l’introduction de l’UMTS, du LTE et du LTE-Advanced.

Comment est structurée l’architecture du réseau 4G LTE?

L’architecture générale du réseau 4G se divise en trois domaines : l’équipement utilisateur UE, le réseau d’accès E-UTRAN et le réseau cœur EPC.