La 5e génération de systèmes mobiles : où en est-on ? suivi d’un Entretien avec… Eric Hardouin

07/05/2017
Auteurs : Patrice Collet
Publication REE REE 2017-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-2:19254
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La 5e génération de systèmes mobiles : où en est-on ? suivi d’un Entretien avec… Eric Hardouin

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REE N°2/2017 Z 87 GROS PLAN SUR L es travaux de définition des spécifications des sys- tèmes mobiles de 5e génération (5G), évoqués pré- cédemment dans la REE, mobilisent de nombreux experts, tant dans l’industrie que chez les opérateurs mobiles du monde entier, et progressent de façon significa- tive. Début mars, le 3GPP, responsable de la production des spécifications, a annoncé pour fin 2017 une première version des spécifications de l’accès radio 5G, dite NSA, qui s’appuiera sur le cœur de réseau 4G : cette première étape permettrait de faire croître les débits offerts aux clients et de réduire la la- tence. Il a également confirmé que les spécifications de l’accès radio 5G dite SA seraient disponibles à la mi-2018. Parallèlement, de nombreuses expérimentations d’un nouvel accès radio, anticipant ce que pourrait être l’accès 5G, faisant appel à des techniques candidates pour la 5G, comme le MIMO massif multi-utilisateur, sont menées conjointement par les opérateurs et les industriels. De nombreux résultats ont été publiés : il est difficile de les comparer tant le contenu et les conditions de ces expé- rimentations sont variés : laboratoire ou espace libre, fréquences utilisées, bande passante consommée... Cepen- dant tous ces essais font apparaître une forte croissance des débits atteints : le gigabit par seconde voire la dizaine de Gbit/s sont dépassés. Nous avons demandé à Eric Hardouin qui, chez Orange, coordonne les travaux de recherche sur les réseaux d’accès 5G de nous présenter ce que sera la 5G ainsi que l’avance- ment des travaux. Au préalable et pour la bonne compréhen- sion de nos lecteurs, nous rappelons dans l’encadré qui suit quelques définitions essentielles. La 5e génération de systèmes mobiles : où en est-on ? Introduction par Patrice Collet Les générations de systèmes mobiles L’Union Internationale des Télécommunications (UIT) définit des objectifs de performances auxquels doivent répondre les systèmes de communications mobiles, génération après génération. Les systèmes de communications mobiles de 4e génération mis en place actuellement à travers le monde sont fondés sur la norme LTE et son évolution LTE-Advanced. Ces deux normes ont été reconnues par l’UIT comme des tech- nologies de 4e génération en 2010. Ce ne sont pas les seules, la technologie WIMAX a également été recon- nue comme technologie de 4e génération. La structure des réseaux mobiles Le backhaul Dans les réseaux mobiles, des stations radio dites stations de base (BS) desservent les utilisateurs situés dans une zone géographique donnée, la cellule. Elles sont reliées au cœur du réseau mobile par des liens de transmission qu’on appelle les liens de backhaul. Au fil de la croissance des débits offerts aux utilisateurs dans une cellule, le débit à transporter par le backhaul a très fortement crû. Les techniques de transmission utilisées ont dû changer. Dans les systèmes 2G, les services de voix étaient très largement majoritaires et le trafic pouvait être très bien transporté par quelques liens de transmission à 2 Mbit/s. Dans les systèmes 4G, les dé- bits traités par une station de base sont beaucoup plus importants et les liens de backhaul doivent être portés par des fibres optiques. RRH et BBU Au fil des évolutions des générations de systèmes, l’organisation physique de la station de base a évolué. En 2G, elle est constituée d’un équipement unique re- lié par des câbles RF aux antennes situées sur un mât ou sur un toit d’immeuble. Dès la 3e génération sont apparues des stations de base dites réparties : la par- tie radiofréquence de la station est séparée du reste des fonctions de la BS. La première appelée RRH1 peut être placée au plus près des antennes, ce qui réduit les 1 RRH : Remote Radio Head, ou Tête radio déportée. Pour bien comprendre 88 Z REE N°2/2017 GROS PLAN SUR pertes dans les câbles RF. La deuxième partie dite BBU2 ne traite plus que le signal en bande de base et les fonc- tions de commande propres aux stations de base : RRH et BBU sont connectés par une liaison dite de fronthaul portée par une fibre optique. La BBU peut alors être éloignée de plusieurs dizaines de kilomètres des sites d’antennes. Plusieurs BBU peuvent aussi être regrou- pées en un pool de BBU desservant plusieurs centaines de RRH. La centralisation des BBU permet aussi de les faire plus facilement communiquer afin de les faire col- laborer pour optimiser l’usage des ressources radio et réduire les interférences. L’évolution suivante sera de faire assurer les fonctions du pool de BBU par un logiciel exécuté sur une plate- forme informatique standard : alors la virtualisation des fonctions de la station de base aura été réalisée. 2 BBU : Base Band Unit ou Unité en Bande de Base. MIMO et beamforming Le beamforming est une technique qui permet à un réseau d’antennes d’émettre et de recevoir selon une direction préférentielle qui peut varier sur commande, par exemple en jouant sur la phase de l’onde émise par chaque antenne du réseau. La technique MIMO3 , utilisée déjà dans de nombreux systèmes radio, réseaux mobiles 4G, Wi-Fi (802.11 n et ac), consiste à tirer parti de la diversité spatiale de pro- pagation en multipliant les antennes d’émission et de réception situées aux extrémités d’une liaison radio. Le MIMO présente deux avantages importants, il permet d’une part « d’améliorer la qualité du lien en s’affranchis- sant des évanouissements de canaux » et d’autre part « d’augmenter le débit d’information sans augmenter la bande passante ou la puissance transmise »4 . Q 3 MIMO : Multiple Input Multiple Output. 4 Extrait de l’article de D. Le Ruyet et B. Ozbec dans dans le numéro d'avril 2005 de la REE. REE N°2/2017 Z 89 GROS PLAN SUR REE : Qu’attend-on de la 5G ? Eric Hardouin : Pour Orange, la 5G fournira tous les moyens d’accès à l’Internet dans la dé- cennie 2020-2030. Cela inclut les réseaux d’ac- cès radio bien sûr, mais aussi les réseaux d’accès fixes (fibre, Wi-Fi). L’accès radio sera assuré par les technologies existantes (LTE, Wi-Fi) et leurs évolutions, ainsi que par une nouvelle radio, appelée pour le moment « NR » pour “New Radio” dans l’industrie. Les différents réseaux d’accès radio seront gérés par un cœur de réseau unique et convergent. Un débit confortable en toutes situations Nous attendons une expérience utilisateur significative- ment améliorée par rapport à la 4G, avec la possibilité de disposer d’un débit minimum confortable (de l’ordre de plusieurs dizaines Mbit/s) en toutes situations : à l’intérieur des bâtiments, dans les transports, dans une foule, etc. Par ailleurs, la latence sera réduite pour là encore améliorer le confort en navigation sur Internet, mais aussi permettre de nouvelles applications sensibles au délai (réalité virtuelle et réalité augmentée, par exemple). Enfin, les débits seront considérablement accrus par rapport à la 4G, 10 Gbits/s devenant atteignables dans certains déploiements de type hot spot. Un réseau efficace pour l’IoT et les applications « critiques » Une autre attente forte de la 5G est d’étendre la diversifica- tion, entamée avec le LTE, des services offerts par les réseaux mobiles. Tout d’abord via une plus grande efficacité des so- lutions pour l’Internet des Objets (IoT) bas débit / bas coût, dont les premières technologies cellulaires (EC-GSM1 , LTE-M2 , 1 Développement de la norme GSM pour la communication de machines. 2 Développement de LTE pour la communication de machines. NB-IoT3 ) sont actuellement en cours de test. La 5G devra ainsi permettre un passage à l’échelle du nombre d’objets connectés et optimiser les échanges de signalisation afin d’allonger la durée de vie sur batterie (15 ans au lieu de 10 pour les technologies actuelles). Mais la grande nou- veauté apportée par la 5G sera la garantie de fia- bilité des transmissions, c’est-à-dire des taux de perte de paquets radio inférieurs à 10-5 , couplée à des latences extrêmement faibles (de l’ordre de la milliseconde). Ces fonctionnalités permettront aux réseaux de porter des applications dites « critiques » pour différents secteurs industriels, tels que l’automobile (pour la conduite as- sistée ou autonome), la santé, les villes intelligentes, les usines connectées ou encore le transport de l’énergie. Améliorer significativement l’efficacité énergétique Enfin, la 5G doit améliorer significativement l’efficacité opérationnelle des réseaux. En termes d’efficacité énergé- tique tout d’abord, sinon l’accroissement de la consommation énergétique due à l’ajout de nouvelles bandes de fréquences et de nouveaux sites deviendrait rapidement insoutenable. Ainsi, Orange, comme d’autres opérateurs réunis au sein de l’alliance NGMN, demande que la 5G réduise de moitié la consommation des réseaux, tout en permettant d’absorber une croissance d'un facteur 1 000 du trafic4 . Un accès Internet efficace dans les zones à faible densité En outre, la 5G doit proposer des solutions pour per- mettre d’offrir un accès confortable à Internet (de l’ordre de 3 Procédé de communication dérivé du LTE pour la communication de machines. 4 On peut se reporter au White paper NGMN 5G : https://www.ngmn. org/5g-white-paper.html La 5e génération de systèmes mobiles Entretien avec Eric Hardouin Eric Hardouin Orange Fifth generation mobile communication sys- tems definition is progressing fast. This paper gives an overview of the present status achieved in this domain. What improvements 5G is intended to bring com- pared with LTE-Advanced? When 5G specifications will be available? What are the main technological innovations 5G will be based on? Eric Hardouin, from Orange, provides answers to these questions. ABSTRACT La définition des systèmes de communica- tion mobile de 5e génération a fortement pro- gressé : cet article fait le point sur l’état actuel des travaux. Que doit apporter la 5G par rapport à LTE-Advanced, selon quel calendrier la 5G sera mise en œuvre ? Quelles sont les grandes innovations technologiques sur lesquelles se fonde la 5G ? C’est à ces questions qu’Eric Hardouin d’Orange apporte des réponses. RÉSUMÉ 90 Z REE N°2/2017 GROS PLAN SUR quelques Mbit/s) là où les réseaux ne sont pas économique- ment viables aujourd’hui. Sont concernés particulièrement les pays émergents et les zones peu denses. Cela passe par une extension de la portée des cellules (100 km de portée sont visés), ainsi qu’une conception modulaire de la 5G pour construire des terminaux bas coût n’intégrant que les fonc- tions strictement nécessaires. Grâce à ces avancées, nous espérons que la 5G apportera l’Internet à une partie de la population mondiale qui en est privée aujourd’hui. REE : A quelle échéance et dans quel ordre vont survenir ces améliorations ? Eric Hardouin : Le déploiement de la 5G dépend du ca- lendrier de la normalisation internationale, qui s’effectue au 3GPP en ce qui concerne les réseaux d’accès, notamment les interfaces radio NR et LTE, le cœur de réseau et les ter- minaux. Les premières spécifications 5G sont attendues mi 2018 et permettront des déploiements commerciaux à partir de 2020. Cette première phase introduira l’interface radio NR, qui apportera une réduction de latence, un accroisse- ment des débits, la garantie de fiabilité, et des possibilités de mise en sommeil des équipements radio de façon à amé- liorer significativement l’efficacité énergétique. Les spécifica- tions dès la phase 1 permettront d’atteindre des débits de l’ordre de 10 Gbit/s, mais il faudra attendre la disponibilité de spectre dans les fréquences au-delà de 6 GHz pour pou- voir en bénéficier en pratique. Le 3GPP a récemment (mars 2017) décidé de livrer fin 2017 une version intermédiaire des spécifications de la phase 1, qui permettra de premiers déploiements dès 2019. Cette livraison initiale sera limitée au support des très hauts débits et de la faible latence, et à une opération dite « non-standalone » où une porteuse NR sera nécessairement associée à une porteuse LTE qui fournira les informations de contrôle essentielles. Des réseaux conformes à la norme à partir de 2020 Une seconde phase de spécifications 5G sera finalisée fin 2019, qui complètera la NR avec des fonctionnalités sup- plémentaires telles que l’utilisation des bandes sans licence, les communications V2X 5 , et l’intégration du backhaul avec l’accès radio. Cette seconde phase conduira à des implé- mentations déployables à l’horizon 2022. Des fonctionnali- tés IoT bas coût/bas débit en NR pourront également faire partie de la phase 2. Leur prise en compte au-delà de la phase 1 s’explique par la normalisation récente de solutions cellulaires dédiées telles que l’EC-GSM, le LTE-M et le NB- 5 Communication V2X : communication à partir d’un véhicule. IoT, rendant moins urgent le besoin de solutions NR dans ce domaine. En ce qui concerne le cœur de réseau, la NR pourra fonc- tionner à partir du cœur de la 4G, ou du nouveau cœur qui sera spécifié dès la phase 1. La version « non-standalone » ne pourra fonctionner qu’à partir d’un cœur 4G. REE : Quelles innovations technologiques la 5G va-t-elle mettre en œuvre ? Eric Hardouin : La 5G repose sur trois ruptures techno- logiques majeures : le massive MIMO/beamforming, les ondes centimétriques (cm)/millimétriques (mm) et la vir- tualisation des réseaux. De plus, la 5G intégrera nativement et de manière optimisée des innovations incrémentales sur les techniques normalisées initialement en 4G, comme la coordination d’interférence (CoMP6 ), les récepteurs avancés assistés par le réseau (NAICS7 , MUST8 ), ou encore les com- munications entre terminaux (D2D). Le MIMO/beamforming massif s’appuie sur des antennes formées de plusieurs dizaines, voire centaines d’éléments rayonnants. Il permet de servir les usagers par des faisceaux étroits, réduisant considérablement l’énergie rayonnée inu- tilement ainsi que les interférences. Par ailleurs, le multi- plexage simultané des utilisateurs sur les mêmes ressources radio mais dans des faisceaux différents augmentera signi- ficativement l’efficacité spectrale dans les zones denses. L’application des antennes massives sera facilitée dans les bandes cm/mm en raison de la faible taille des antennes à ces fréquences. Leur application dans les bandes inférieures à 6 GHz demandera, en revanche, des innovations en design d’antenne afin de pouvoir les déployer. 6 Coordinated Multi-Point : ensemble de techniques permettant de co- ordonner l’émission et la réception d’un certain nombre de stations de base vers un même terminal. 7 Network Assisted Interference Cancellation and Suppression. 8 On peut se reporter au White paper NGMN 5G : https://www.ngmn. org/5g-white-paper.html Figure 1 : Principe du MIMO massif multi-utilisateur. Source : Telecom Research Lab. REE N°2/2017 Z 91 La 5e génération de systèmes mobiles : où en est-on ? Un nouvelle ressource, les fréquences centimétriques et millimétriques Les fréquences cm/mm présentent un gisement consi- dérable de nouveau spectre, essentiel pour les très hauts débits et la capacité des réseaux 5G. Si le beamforming mas- sif compense au moins en partie les pertes de propagation à ces fréquences, un certain nombre de questions demeurent cependant sur la manière de les utiliser en pratique. En effet, à ces fréquences les ondes franchissent difficilement les murs et sont sensibles aux petits obstacles tels que le feuillage. Par ailleurs, le coût des amplificateurs de puissance et des filtres radiofréquences dans ces bandes est incertain à ce jour. Enfin, comme indiqué précédemment, l’usage de ces fréquences est conditionné à la disponibilité de spectre, pour lequel le calendrier de la Conférence mondiale des radiocommunications ne prévoit pas d’identification harmo- nisée avant 2019, ce qui conduirait à une libération probable aux alentours de 2022. Des initiatives réglementaires régio- nales pourront toutefois rendre ce spectre disponible plus tôt. Par exemple, la Commission européenne a mandaté la CEPT (Conférence européenne des postes et télécommu- nications) afin d’étudier pour l’Europe les conditions tech- niques d’utilisation de certaines bandes de fréquence avant même la Conférence mondiale des radiocommunications 2019 (voir la partie « Aura-t-on les ressources en fréquences nécessaires ? »). Mise en œuvre de la virtualisation des fonctions de réseau La virtualisation désigne la réalisation de fonctions réseau via une implémentation logicielle sur des serveurs banali- sés. Cette rupture, initialisée avec la 4G, sera le socle de la conception de la 5G, qui en exploitera tous les bénéfices : flexibilité, résilience, instanciation de fonctions à la demande, création rapide de services, optimisation des ressources de calcul, optimisation de la consommation énergétique. Pour les opérateurs, les ressources de calcul et de stockage néces- saires seront typiquement hébergées dans des mini-centres de calcul distribués sur le territoire, appelés points de pré- sence de nouvelle génération (NGPOPs). La disponibilité de cette infrastructure convergente entre IT et réseau permettra d’offrir de nouveaux services à nos clients, par exemple de stocker du contenu sensible dans un cloud local, ou d’héber- ger des applications métier dans le cloud au plus près des sites des entreprises afin de réduire la latence de traitement. Des réseaux virtuels adaptés aux différents usages de la 5G La virtualisation apportera enfin la possibilité de vendre du réseau « à la découpe ». Ce concept, plus communément appelé “slicing”, consiste à établir plusieurs réseaux virtuels sur la base d’une infrastructure physique mutualisée. Chaque réseau virtuel pourra être dédié à des services ou classes Figure 2 : Principe du “slicing” - Source : NGMN White Paper. 92 Z REE N°2/2017 GROS PLAN SUR de services spécialisés et être motorisé par des fonctions de réseau spécifiques. Par exemple, une “slice” dédiée à l’IoT bas coût/bas débit n’aura généralement pas besoin de fonctions de mobilité avancées, ni de garantie de fiabilité extrême. A l’inverse, une slice dédiée à la voiture connec- tée pour l’assistance à la conduite aura besoin de ces fonc- tions. Le “slicing” permettra aussi de réserver des ressources réseau aux slices portant des applications critiques, de sorte qu’elles soient protégées en cas d’une congestion éventuelle du réseau. Ainsi, le concept de “slicing” permettra de rendre les mêmes services que plusieurs réseaux dédiés, mais sur une infrastructure mutualisée entre ces services et donc à moindre coût. Notons que le “slicing” est toujours en cours de définition dans l’industrie. REE : Quelles évolutions de l’architecture la 5G implique-t-elle ? Eric Hardouin : La virtualisation se déclinera dans le cœur de réseau, mais aussi dans le réseau d’accès. En ce qui concerne ce dernier, la virtualisation est à rap- procher de la séparation des stations de base, répandue en 4G, entre traitement en bande de base (par une unité bande de base – BBU9 ) et traitement radiofréquence (par une tête radio déportée – RRH10 ). BBU et RRH sont connectées par de la fibre optique, qui porte les échantillons de signal en bande de base, à un débit bien supérieur au débit de don- nées du service. En 5G, l’accroissement considérable des dé- bits ne permettra pas de conserver ce modèle. On envisage donc de déplacer certaines fonctions de bas niveau (couches physique et MAC) au plus près de l’antenne, afin de revenir à 9 BBU : Base Band Unit 10 RRH : Remote Radio Head un débit compatible avec la capacité des fibres. Les fonctions exactes qui prendraient place dans la BBU « basse », proche de la RRH, sont aujourd’hui à l’étude. L’interface entre BBU « haute » et BBU « basse » est appelée “midhaul”, et deman- dera à être normalisée afin d’assurer l’interopérabilité entre des BBU hautes et basses de fournisseurs différents. Un cœur de réseau servant les accès fixes et mobiles Pour Orange, le cœur de réseau 5G devra gérer les diffé- rentes technologies d’accès, fixes et mobiles, et sera optimisé pour la virtualisation et le slicing, comme expliqué précédem- ment. Ces nouvelles fonctionnalités demandent d’étudier un nouveau cœur de réseau. REE : Aura-t-on les ressources en fréquences nécessaires ? Eric Hardouin : Des quantités suffisantes de spectre seront indispensables au succès de la 5G. Même si la NR pourra en principe être déployée sur les bandes aujourd’hui utilisées pour le LTE, elle sera dans les faits déployée sur de nouvelles bandes, afin de ne pas perturber l’expérience des utilisateurs de la 4G. A long terme, lorsque les terminaux 5G seront dominants dans le parc, les bandes 4G pourront éventuelle- ment être réaménagées pour y déployer la NR. Les bandes de fréquences sous 6 GHz, en particulier inférieures à 1 GHz, joueront un rôle crucial pour assurer la couverture de la 5G. Les bandes 700 MHz et 3,4-3,8 GHz sont, à ce titre, identifiées en France comme étant les bandes candidates au déploiement initial de la 5G. Les bandes au-dessus de 6 GHz répondront aux besoins de capacité et de très haut débit. Les bandes entre 24 et Figure 3 : Esquisse du réseau d’accès 5G - Source : Rysavy Research. REE N°2/2017 Z 93 La 5e génération de systèmes mobiles : où en est-on ? 86 GHz sont candidates pour être identifiées globalement par la Conférence mondiale des radiocommunications 2019. Les bandes 700 MHz, 3,5 GHz (3400-3800 MHz), 26 GHz (24,25-27,5 GHz) sont considérées comme des bandes pionnières de la 5G par la Commission européenne qui a mandaté la CEPT pour étudier d’ores et déjà les condi- tions techniques d’utilisation des bandes 3,5 GHz et 26 GHz. Si les études de coexistence (par exemple avec les satellites ou avec les services fixes) s’avèrent favo- rables au déploiement de la 5G dans ces bandes, leur utilisation pourrait se faire as- sez rapidement en 5G en Europe, sachant que les rapports techniques ouvrant la voie à leur réglementation, et donc à leur attribution, doivent être finalisés au mois de juin 2018. D’autres bandes en dessous de 24 GHz (par exemple 5,925-8,5 GHz, 10-10,6 GHz and 21,4-22 GHz), présentent un fort potentiel du fait de leur meilleure propaga- tion et pourraient être identifiées sur une base régionale en Europe. REE : Aura-t-on le backhauling suffisant ? Eric Hardouin : Le transport est un élé- ment du réseau 5G qui doit être anticipé, car les forts volumes de trafic attendus devront pouvoir être véhiculés sur les différentes interfaces du réseau : le bac- khaul entre les nœuds du cœur de réseau et les BBU, le midhaul entre BBU hautes et basses, voire le fronthaul entre BBU et RRH. Le dimensionnement de ces inter- faces est actuellement à l’étude. REE : Quel sera le rôle des opérateurs ? Eric Hardouin : Les opérateurs continueront bien sûr à servir les usagers grand public, avec une qualité de service toujours améliorée grâce aux performances offertes par la 5G en termes d’homogénéité de débit, de latence réduite et de prise en compte plus efficace de l’IoT. Les modèles d’affaires évolueront vraisemblablement pour prendre en compte la diversité des terminaux et objets qui seront connectés. La 5G permettra d’améliorer la produc- tivité de nombreux secteurs industriels, notamment pour des applications cri- tiques et l’IoT, pour lesquelles un réseau omniprésent et fiable sera un élément fondamental. Un dialogue est nécessaire entre ces secteurs industriels et l’industrie des télécoms afin de prendre en compte tous leurs besoins dans la conception de la 5G et des réseaux. Orange a initié ce dialogue avec plusieurs partenaires, au sein de l’alliance NGMN, du partenariat public-privé avec la Commission euro- péenne 5GPPP, et de discussions bilaté- rales. Nous allons poursuivre et accroître cet effort en 2017. Les capacités de la 5G, basées sur une infrastructure convergente entre réseau et IT, renforceront encore le rôle essen- tiel des opérateurs dans la transformation digitale des usages, des entreprises et plus généralement de la société. Q Propos recueillis par Patrice Collet Eric Hardouin dirige le domaine de recherche “Connectivité Ambiante” au sein des Orange Labs. Ce domaine oriente la recherche d’Orange vers les futurs réseaux d’accès et de transport, ainsi que sur les modèles d’affaires associés. Eric a rejoint Orange en 2004, après un doctorat en traitement du signal et télécommunication préparé à Telecom Bretagne et l’université de Rennes 1. Il a conduit et supervisé des recherches sur la réduction d’inter-rr férence dans les réseaux mobiles. Entre 2008 et 2013, il a représenté Orange dans le groupe 3GPP RAN1, en charge de la normalisation de la couche physique du HSPA, du LTE et du LTE-Advanced. De 2012 à 2015, Eric a coordonné la recherche sur les réseaux sans fil à Orange Labs. Eric a eu un rôle prépondérant dans la définition des exigences techniques de la 5G, en codirigeant les travaux dont les résultats ont été publiés dans le “White Paper 5G du NGMN”. Eric est co-auteur du livre “LTE et les réseaux 4G”.