La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau d'accès radio LTE

26/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-5:19577
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Résumé

La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau d'accès radio LTE

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        <publicationYear>2017</publicationYear>
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	    <date dateType="Updated">Sat 26 Aug 2017</date>
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REE N°5/2011 ◗ 83 la quatrième génération des systèmes mobiles 1 Laurent Thomas, 1 Laurent Roullet 1 Alcatel-Lucent C'est en 2000 que l'UIT-R a démarré ses tra- vaux sur les évolutions de systèmes mobiles de 3ème génération (IMT 2000) et la définition des systèmes postérieurs à IMT 2000. La recomman- dation M.1645 (2003) qui fixe les objectifs à sa- tisfaire par les systèmes dits IMT-Advanced, est de facto la référence pour les systèmes quatrième génération. L'objectif essentiel est de permettre des débits de données atteignant 100 Mbit/s. Dif- férents groupes de normalisation ont proposé des définitions de nouveaux systèmes mobiles  : le 3GPP a défini un système connu sous le nom de LTE (“Long Term Evolution”) qui devait être le suc- cesseur des systèmes 3G, et l'IEEE a fait évoluer les systèmes WiMAX pour constituer un réseau d'accès mobile (802.16m). LTE dans sa définition initiale ne répondant pas complètement aux ob- jectifs énoncés par l'UIT-R, le 3GPP a proposé une évolution de LTE dite LTE-Advanced (LTE-A). En octobre 2010, l'UIT-R a confirmé que LTE-Advan- ced et WiMAX 802.16m étaient les deux premiers systèmes d'accès radio conformes aux exigences de la recommandation M.1645. Même si quelques opérateurs nord-améri- cains ont investi dans des réseaux d'accès fon- dés sur WiMAX, la filière LTE semble s'imposer dans les évolutions des réseaux mobiles. Dans la suite de cet article nous décrirons le système d'accès radio de LTE et ses évolutions vers LTE Advanced. Un autre article évoquera le réseau cœur de LTE. 1. Les objectifs poursuivis Pour LTE comme pour les systèmes confor- mes aux spécifications d'IMT Advanced, trois ob- jectifs principaux sont poursuivis : • Faire face à la croissance de la demande : la croissance du nombre de clients des systèmes mobiles dans le monde se poursuit de façon continue dans le monde. Le cap des 5 milliards d'abonnés à un service mobile a été dépassé fin 2010. • Satisfaire la demande de services de données mobiles avec un confort analogue à celui ren- contré sur les accès haut débit fixes  : le dé- veloppement très important des smartphones et des tablettes et de leurs très nombreuses applications consommatrices de connectivité Internet requiert une croissance des débits of- ferts. 3G+ a constitué une première réponse à ces besoins mais ces besoins vont continuer à croître de façon importante. • Augmenter l'efficacité spectrale des systèmes : le spectre des fréquences disponibles pour les systèmes mobiles constitue une ressource rare, les nouvelles générations de système doivent permettre de transmettre plus d'informations par unité de bande passante que ne le permet- taient les systèmes 2G ou 3G. La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau d'accès radio LTE This paper after introducing what is 4th generation of mobile systems, describes the principles of LTE radio access as they stand in LTE Release 8 and what evolutions are planned in Release 9 and 10. abstract 84 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles La voix n'est plus la cible privilégiée de ces systèmes car c'est pour le transport de données IP qu'ils doivent être optimisés. On estime ainsi que le volume de trafic de données mobile, en raison de l'augmentation des usages et des usagers, double chaque année et les opérateurs doivent s'y préparer. Il est à noter que les réseaux optimisés pour IP doivent permettre de trans- porter de la voix comme sont transportés les autres médias. Plusieurs bandes de fréquences doivent pouvoir être utilisées par les systèmes de 4ème génération, les bandes dites du dividende numérique résultant de la suppression de la télévision analogique au profit de la TNT, de nouvelles bandes de fréquences allouées par la CAMR 2007, et également de bandes qui se libére- raient dans le domaine des systèmes 2G et 3G. 2. Les résultats des travaux du 3GPP : LTE 2.1. Architecture générale de 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'inter- net mobile. L'analyse des besoins pour LTE a déterminé que tous les nouveaux services seront de type données, transportés par des protocoles paquet (ex. le protocole IP) plutôt que par des circuits (comme les services “CS” de l'UMTS). Ce constat a amené le 3GPP à un choix drastique et courageux : le système LTE est nativement paquet et n’intègre plus le mode circuit. Des passerelles circuit-paquet doivent être utilisées pour assurer l’inter- fonctionnement avec les services de commutation de circuits existants (par exemple la voix sur GSM ou UMTS et le réseau téléphonique commuté RTC). Pour faire face aux besoins croissants en termes de débit et réduire le délai de transmission, une simplifi- cation radicale de l'architecture réseau a été apportée en réduisant le nombre d’équipements traversés par les flux de données et de commande. Cette simplifi- cation aboutit au concept de réseau plat IP ou “flat-IP”, où un seul équipement intègre toutes les fonctions de l'accès. On passe ainsi de 4 équipements traversés en UMTS, deux dans la partie cœur (SGSN et GGSN) et deux dans la partie accès (NB et RNC), à deux ou trois en LTE, un ou deux dans le cœur et un dans l'accès (figure 1). Cette réduction du nombre d'équipements fait, évidemment, que chaque équipement traite plus de fonctions par rapport aux architectures 3G. La simplification de l’architecture doit aussi participer grandement à la réduction des coûts de déploiement et de gestion des réseaux LTE-4G, une des exigences opérationnelles majeures des opérateurs mobiles. D'autres facteurs participent aussi à cette réduction des coûts, notamment l’utilisation d’interfaces ouvertes, la réutilisation de protocoles existants, l'adoption de mé- canismes d'auto-configuration (SON, “Self Organized Networks”), l'interopérabilité native avec d'autres systè- mes 3GPP (GSM/EDGE et UMTS) et non 3GPP (Wi-Fi, WiMAX) et la flexibilité en terme de bandes de fréquen- ces utilisées, de 450 MHz à 2.6 GHz, et de largeur de bande, 1.4, 3, 5, 10, 15 et 20 MHz. L'architecture LTE-4G, nommée Evolved Packet Sys- tem (EPS) est composée d'un réseau d'accès, appelé Evolved-UTRAN (eUTRAN), et d'un réseau cœur, appe- lé Evolved Packet Core (ePC). Un troisième niveau peut venir s'ajouter, l'IMS (“IP Multimedia Subsystem”). L’IMS ne fait pas partie stricto sensu de l'architecture réseau LTE-4G mais la complète du point de vue des services et applications offertes par l’opérateur. Comme nous l’avons vu dans l'article précédent, il fournit un service de gestion de sessions de communication en IP fondé sur le protocole SIP. L’IMS assure en particulier le ser- vice de voix compatible avec les réseaux existants. Contrairement aux systèmes 3G, le réseau d'accès eUTRAN est composé d'un seul élément de réseau, le nœud radio “Evolved-NodeB” (eNB). L'eNB est en Figure 1 : Simplification de l'architecture LTE par rapport à l'architecture 3G. REE N°5/2011 ◗ 85 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau d'accès radio LTE charge de l’établissement et la gestion de la connexion radio avec le terminal de l'utilisateur (User Equipment, UE). Il regroupe toutes les fonctions précédemment distribuées entre le RNC et le NB, ce qui implique l'exis- tence d’échanges directs entre eNB voisins, par exem- ple pour la gestion de la mobilité des utilisateurs ou la découverte de la topologie réseau via l’interface X2. Le réseau eUTRAN est raccordé au cœur de réseau par une interface S1. Le cœur de réseau prend en char- ge la gestion des abonnés ainsi que l’établissement et la gestion de canaux de transport des données (“bea- rers”) entre les réseaux fournissant les services (Internet ou IMS) et l'eNB auquel l'utilisateur final est rattaché. L'ePC est composé de plusieurs éléments, à savoir : • dans la couche de transport : la “Serving Gateway” (SGW) et la “PDN gateway” (PGW), en charge du rou- tage des paquets de données, • dans la couche de contrôle : la “Mobility Manage- ment Entity” (MME) et d'autres fonctions de gestion comme la base des données des abonnés (“Home Subscriber Service” ou HSS), le “Policy Control and Charging Rules Function” (PCRF). Pour résumer : par rapport à la 3G, l'eNB devient donc un élément de plus en plus complet et autonome. L'eNB reprend les fonctions du NB et d'une partie du RNC alors que l'ePC, de son côté, assure l'attribution d'adresses IP, la mobilité des flux de données utilisateur (SGW), la gestion fiable d'un contexte (localisation des abonnés en mode veille dans la MME), le contrôle d'ac- cès (MME) et des fonctions de mobilité inter-système. L'article suivant décrit plus en détail les éléments du réseau cœur, l’ePC. 2.2. Spécificités du nœud radio eNodeB L’eNB effectue de manière autonome toutes les autres fonctions non prises en charge par l’ePC, en par- ticulier le passage de mobiles d'un eNB à l'autre (“han- dover”) et la gestion des ressources radio globales (“Radio Resources Management” ou RRM) sans faire appel au réseau coeur. Pour cela, une toute nouvelle interface appelée X2 permet aux eNB de dialoguer di- rectement entre eux. On a introduit dans LTE la table de voisinage automa- tique (ANRT ou “Automatic Neighour Relationship Ta- ble”). Cette table, établie automatiquement par chaque eNB grâce à des mesures radio faites par les mobiles leur permet de découvrir leurs voisines et d'établir les liens X2 nécessaires. Sans qu'il soit nécessaire de le paramétrer, l’eNB peut donc découvrir les cellules qui interfèrent avec lui, puis établir un lien X2 vers chacune de ces cellules. L'interface X2 lui permet ensuite d'établir automati- quement des paramètres de configuration du réseau cohérents (exemple : le “physical cell identity” ou PCI) et d'effectuer les opérations de mobilité des usagers en temps réel. LTE est donc, ainsi, à la fois plus simple dans son archi- tecture réseau mais aussi dans sa gestion par l'opérateur. Figure 2 : L’architecture LTE-4G (Evolved Packet System, EPS). 86 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles 2.3. Définition du nœud radio LTE (eUTRAN) 2.3.1. Principes généraux La définition du nouveau système radio LTE a été faite afin de satisfaire un certain nombre d’objectifs de performance rappelés ci-dessous : • Usage possible de plusieurs largeurs de bande : les bandes d'une largeur de 1, 4, 3, 5, 10, 15 et 20 MHz sont possibles alors que la 2G et la 3G utilisent un canal de largeur fixe (200 kHz pour le GSM et 3,84 MHz pour l’UMTS). • Débit utilisateur crête élevé : HSDPA avait marqué la première évolution majeure du standard pour per- mettre des débits élevés ponctuels vers un utilisateur spécifique. Ce débit crête devient une caractéristique majeure de LTE puisqu'il dépasse 100 Mbit/s1 dans le sens descendant (eNB ⇒ UE) et 50 Mbit/s dans le sens montant (UE ⇒ eNB) ; cela correspond à une efficacité spectrale de 5bits/s/Hz dans le sens des- cendant et à 2,5 bits/s/Hz dans le sens montant, soit des gains respectifs de 7 et de 5 par rapport à la technologie HSPA (3G+). • Efficacité spectrale moyenne améliorée : grâce à la diversité spatiale (MIMO) et à une utilisation plus fine 1 Sur une bande de 20 MHz en FDD en MIMO 2x2. du spectre (OFDMA), les performances sont large- ment améliorées par rapport au 3G HSPA : - En débit moyen sur l’ensemble de la cellule, on obtient, selon les scénarios, de 1,6 à 2,5 bit/s/Hz/ cellule dans le sens descendant (eNB ⇒ UE) et de 0,66 à 1,0 bit/s/Hz/cellule, dans le sens montant (UE ⇒ eNB), ce qui représente un gain de 2 à 4 par rapport au 3G HSPA. - En débit moyen sur les bords de couverture, on obtient, selon les scénarios, de 4 à 6.10-2 bits/s/Hz dans le sens descendant eNB ⇒ UE et de 2 à 3.10-2 bits/s/Hz dans le sens montant (UE ⇒ eNB), ce qui représente un gain de 2 à 3 par rapport au 3G HSPA. • Latence maximale fortement réduite  : une latence inférieure à 10 ms au niveau IP et des délais de connexion (passage de l'état de veille à l'état actif) inférieurs à 100 ms rendent LTE plus réactif que les réseaux xDSL ordinaires alors que les générations pré- cédentes avaient mal pris en compte ces besoins. • Flexibilité opérationnelle  : LTE permet de gérer des zones de couverture de tailles très variées (100 m- 100 km) et donc de servir des zones de densité très va- riées ; de plus LTE est capable de fournir le service à des terminaux dont la vitesse reste inférieure à 500 Km/h : les communications mobiles à partir de trains à grande vitesse sont donc possibles. Figure 3 : Architecture et interfaces d’eUTRAN - (Source : 3GPP TS 36.300). REE N°5/2011 ◗ 87 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau d'accès radio LTE 2.3.2. Présentation de E-UTRAN A partir de la version 9 des spécifications de LTE, outre les stations de base classiques des réseaux mo- biles, l’eUTRAN peut comprendre des stations de base privées couvrant, par exemple, une maison ou les locaux d’une entreprise qu’on appelle HeNB (“Home eNB”). Ces dernières sont interfacées à l'ePC via un contrôleur spécifique appelé “HeNB Gateway”. Celui-ci présente à l'ePC la même interface S1 qu'une station de base eNB. Malgré l’unicité de l’eNodeB dans le standard 3GPP, un site radio LTE est néanmoins complexe et composé de plusieurs éléments physiques distincts : • le mat et les antennes ; • le “RRH” (“remote radio head”) qui met en œuvre la partie analogique de l’eNB : le RRH a une interface vers le corps principal de l’eNB appelée CPRI (“Com- mon Public Radio Interface”). Il s’agit d’une norme industrielle, donc hors du 3GPP, relativement bien standardisée par les grands fabricants ; • le “eNB” qui est, dans la réalité, souvent amputé de sa partie radio déportée dans le RRH ; • les équipements de transmission vers l'ePC : il s’agit principalement des faisceaux hertziens mais aussi des liens VDSL ou fibre optique (GPON ou EPON). Les Figure 4 : Découpe fonctionnelle - (Source http://www.cpri.info). Figure 5 : OFDMA figure 5.6-1 de [3]. 88 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles protocoles de ces équipements s’adaptent aussi aux nou- velles capacités du système telles que faible latence et dé- bit crête important dans chaque eNB. Compte-tenu des débits crêtes objectifs, il n'est plus possible de s'appuyer sur des liens E1 à 2 Mbit/s qui ont été largement utilisés dans les réseaux GSM jusqu'à l'arrivée des offres 3G+. Cette découpe organique déplace les équipements de conversion numérique-analogique, les amplificateurs analogiques et la conversion analogique-numérique au plus près des antennes. Elle raccourcit considérable- ment les câbles coaxiaux transportant le signal radio, ce qui procure des avantages significatifs en termes de puissance électrique consommée et en termes de rap- port signal/bruit en réception. Cette architecture est indépendante du 3GPP et elle est, aussi, mise en œuvre sur les réseaux 2G et 3G récents avec la même interface “CPRI” et les mêmes avantages. LTE utilise une nouvelle technique d“accès, OFDMA, qui a déjà été éprouvée en Wi-Fi (802.11a, 802.11g), en WiMAX, en diffusion numérique (DVB-T/T2, DVB-S/S2, DVB-SH) et sur les transmissions filaires (DMT : “Dis- crete MultiTone” des réseaux xDSL). Cette technique permet d'obtenir un modem plus efficace et robuste que les techniques précédentes. La diversité d'antennes à la fois à l'émission et à la ré- ception devient aussi obligatoire dans LTE. L'espacement des antennes étant difficile à obtenir dans un mobile, la diversité de polarisation sera souvent retenue dans ce cas. Cette diversité spatiale d'émission/réception sera exploitée de manière différente suivant les canaux : • aux rapports signal sur bruit plus interférences né- gatifs, elle permet d’augmenter la robustesse  ; ceci est par exemple utile pour les canaux de signalisation diffusés sur l'ensemble de la cellule et qui doivent être reçus à des niveaux plus faibles que les données, typiquement à -3dB ; • elle permet aussi d’augmenter l'efficacité spectrale (le nombre de bits par Hertz) si possible. Par exemple un mobile dans de bonnes conditions de réception, sur un réseau peu chargé, pourra utiliser toutes les combinaisons utilisables des antennes de l'eNB et des siennes pour augmenter son débit crête ; • elle permet également de focaliser l'énergie émise dans une direction, par exemple servir un mobile en bord de cellule. Dans LTE, un effort important a été fait pour simpli- fier et réduire le nombre de canaux radios entre UE et eNodeB : • Les canaux communs de signalisation : le BCH (“Broa- dcast Channel”) est envoyé en continu et sert à identi- fier chaque cellule, le “paging channel” sert à prévenir un mobile qu'un service actif doit commencer et que le terminal doit sortir du mode veille (“idle mode”). La ro- bustesse intrinsèque de l'OFDMA combinée aux anten- nes multiples n'est néanmoins pas toujours suffisante pour offrir des canaux de signalisation suffisamment résistants à la somme des interférences produites par les cellules voisines. Le canal de signalisation (BCH) est donc aussi émis avec une signature spécifique utilisant le “physical cell id” (PCI). Ce codage spécifique per- met au mobile d’identifier le signal unique d’une cellule parmi tous les signaux émis par les eNB voisins, il a une fonction similaire au “scrambling code” de l'UMTS (LTE définit 504 PCI différents, ce qui impose de les réutiliser sur un réseau entier). • Les canaux de transport de données dédiés à un mo- bile à un instant donné (DL-SCH et UL-SCH pour “Sha- red Channel”) : LTE optimise en temps réel l'émission pour maximiser le débit offert par le réseau. LTE adap- te le codage et la modulation utilisée (MCS : “mo- dulation and coding scheme”) en fonction du signal sur bruit qu’il constate pour chaque mobile, chaque antenne, et pour chaque ressource fréquentielle du spectre radio. • Le canal d’appel à accès aléatoire (PRACH), qui permet aux mobiles de démarrer une connexion active (RACH), est l’unique canal commun sur la voie montante. • Le “multicast channel” peut servir plusieurs mobiles avec les mêmes données au même moment afin de diffuser des programmes collectifs comme la TV. L’unique moyen de transport des données entre les nœuds de LTE est le protocole IP. L'eNB crée deux ty- pes de liens logiques sur IP : • Interface S1 : elle constitue l’interface vers le réseau cœur (ePC) comme dans les générations précé- dentes. Cette interface se découpe en deux parties conformément à l’architecture LTE : - S1-C vers la MME : cette interface dédiée à la signa- lisation reprend le protocole SCTP de l’IETF. SCTP avait déjà été choisi pour transporter la signalisation CCITT N°7 sur les réseaux IP. Il est ici utilisé sans référence au SS7. - S1-U vers la SGW : cette interface reprend le pro- tocole GTP du GPRS pour établir des tunnels IP par flux utilisateur qui transportent les données utiles. REE N°5/2011 ◗ 89 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau d'accès radio LTE • Interface X2 : c’est une interface entièrement nouvelle fonctionnellement, comme on l’a vu plus haut, et qui permet aux eNB de dialoguer directement entre eux pour optimiser le service offert en temps réel (“in- tercell RRM”, “RB control”, ...), et pour échanger les connexions des mobiles en mouvement (“connection mobility continuity”). L’interface X2 utilise SCTP sur IP comme protocole de transport. 3. Les évolutions de eUTRAN Comme pour les autres systèmes définis par le 3GPP, LTE fait l'objet d'évolutions de ses spécifications regrou- pées en versions de spécifications, les “releases”. 3.1. Versions 8 et 9 La version 8 (3GPP R8) est la première version des spécifications qui fait l'objet d'une mise en œu- vre concrète. C’est elle qui est actuellement déployée, notamment chez l'opérateur Verizon Wireless aux USA. Elle a permis de rallier les opérateurs utilisant le sys- tème CDMA (normalisé au 3GPP2) au LTE du 3GPP. La version 9 (3GPP R9) est une version de mise à jour rapide de la R8 qui apporte des améliorations tech- niques et des fonctions complémentaires : • un système d'alerte aux populations lors de catastro- phes naturelles (tsunami) ; • des améliorations en termes de priorités par classes de services ainsi qu'une meilleure intégration avec le réseau téléphonique existant (service voix fixe et mobile) ; • des nouvelles fonctions facilitant l'usage du réseau par des capteurs automatiques ; • une meilleure intégration standardisée avec les autres technologies (Wi-Fi) ; • l’introduction officielle de la passerelle spécifique aux cellules domestiques (“Femto cells”) ainsi que ses interfaces interopérables (eNB GW de l’architecture générale présentée plus haut) ; • le 3GPP conduit les versions de manière unifiée, la version 9 apporte aussi quelques améliorations des réseaux GSM et UMTS. 3.2. LTE advanced Release 10 LTE-A est une évolution à long terme du standard LTE version 8 destinée à lui offrir une durée de vie similaire à celle du GSM, soit 20 ans, et dont les objectifs sont : • respect total des spécifications d’IMT-Advanced et de la WRC-07 afin d’obtenir de l’UIT-R le label 4G (débit crête jusqu’à 1 Gbits/s, largeur des bandes de fré- quences jusqu’à 40 MHz, meilleure efficacité spec- trale en moyenne et en bord de cellule, label obtenu de l’IMT-A en octobre 2010) ainsi que la possibilité d’utiliser des bandes de fréquences dispersées ; • rétrocompatibilité totale avec la version 8 : un termi- nal R8 doit pouvoir fonctionner dans un réseau LTE-A, (certes avec les limitations propres à la version 8) et vice-versa ; cette exigence de rétrocompatibilité limite naturellement les évolutions de la forme d’onde ; • des améliorations topologiques majeures, en particulier avec le support des réseaux hétérogènes et les relais. Le LTE release 10 est la première incarnation du LTE-A et ses spécifications gelées en mars 2011 sont présentées ci-dessous : 1. MIMO amélioré 1) Multiplexing spatial (MIMO-SU) : le nombre d’anten- nes par équipement est doublé afin d’apporter des débits améliorés en pic et en moyenne sur la cellule et ses bords. Cette augmentation du nombre d’anten- nes rend donc le standard compatible avec les exi- gences de débit crête de l’IMT-A (à savoir 1 Gbit/s). Le problème principal est la difficulté pour les opéra- teurs à installer jusqu’à 8 antennes sur les sites des stations de base et 4 antennes dans les terminaux… 2) MIMO multi-usager (MIMO-MU) : la technique consis- te à réaliser un pré-codage au niveau des eNB afin de réaliser une annulation des interférences entre usagers voisins (“Zero forcing”), ce qui permet de réutiliser la ressource spectrale dans des conditions de réseau chargé. 3) Adaptation dynamique entre MIMO-SU et MIMO-MU Les gains estimés sont de l’ordre de 30 % en voie des- cendante et 13 % en voie montante (voir la TR 36.814). 2. Agrégation de porteuse L’idée est de pouvoir agréger des plages de porteuses de tailles et de disposition variables. Toutes les tailles de la version 8 (1, 4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz) sont prises en charge, différentes tailles peuvent être agrégées jusqu’à concurrence de 100 MHz sur les voies montante et des- cendante, qu’elles soient juxtaposées ou pas, qu’elles soient sur les mêmes bandes de fréquences ou pas. Il est ainsi possible d’augmenter les débits crêtes nécessaires selon les exigences d’IMT-Advanced dans 90 ◗ REE N°5/2011 la quatrième génération des systèmes mobiles les cas de faible charge réseau, et de permettre une meilleure utilisation du spectre en cas de forte charge en équilibrant la charge entre les différentes porteuses. Parmi les scénarios proposés, on retient celui qui sera supporté en Europe: 20 MHz à 2,6 GHz agrégés à 20 MHz à 1,8 GHz utilisés selon deux configurations, 40 MHz DL + 20 MHz UL ou 40 MHz DL + 40 MHz UL. 3. Relais Les relais sont des équipements à mi chemin entre un répéteur physique (qui ne fait que ré-amplifier un signal physique) et une femto-cellule (qui est un mini eNB complet). Le relais opère sur la même fréquence que le eNB auquel il est attaché, utilise une partie du spectre disponible pour renvoyer les données à la sta- tion de base (donc ne nécessite pas de « backhauling » dédié), envoie un trafic de signalisation cohérent avec l’eNB d’attachement, et peut réaliser des opérations de bas niveau améliorant le signal comme les retransmis- sions (HARQ) et le “scheduling”. Il a donc un coût modéré à la fois en termes d’ac- quisition et d’installation mais il ne permet pas un gain de capacité significatif. Il sera utilisé principalement pour augmenter la couverture au-delà de la cellule, augmen- ter la capacité localement (hot spot), permettre une mo- bilité de groupe (si le relais est lui-même mobile ce qui n’est pas encore envisagé en release 10), augmenter la réception à l’intérieur des bâtiments, et améliorer la réception dans les zones bloquées par des obstacles. 4. Réseaux hétérogènes L’objectif est de pouvoir faire coexister de façon constructive les infrastructures eNB de forte puissance (macro) avec les infrastructures de plus faible puissance comme les pico et les “femtocells” (HeNB) en laissant néanmoins tous les équipements libres d’utiliser tout le spectre de l’opérateur. Il s’agit d’assurer la coordination au niveau des émissions de signalisation et du trafic utilisateur. Dans le contexte de réseau hétérogène, une synchronisation temporelle est requise afin de permet- tre l’émission de “trames blanches” non interférentes (pour que les canaux de signalisation des stations à faible puissance puissent être détectés). Pour le trafic utilisateur, de nombreuses techniques sont possibles. Elles vont de la découverte par les stations (eNB et HeNB) de ressources utilisées par les voisines à tra- vers les mesures remontées par les mobiles, jusqu’à l’échange d’information directement entre nœuds voi- sins via l’interface X2. 3.3. Les fonctionnalités techniques candidates à la version 11 : De nombreuses améliorations de fonctions exis- tantes sont à l’étude (MIMO, agrégation de porteuses, relais mobiles, réseaux hétérogènes) mais deux fonc- tionnalités radicalement nouvelles sont envisagées : • eMBMS : il s’agit de la fonctionnalité de multicast broadcast permettant une diffusion plus générale de flux vidéo, similaire à ce qui se fait dans les réseaux de diffusion numérique. Une liaison a d’ailleurs été établie entre le DVB, organisme de standardisation de la télévision numérique, et le 3GPP. • “Coordinated Multipoint transmission and réception” (CoMP) : l’idée consiste à utiliser de façon conjointe plusieurs points d’émission afin d’améliorer d’une part les performances en bord de réseau, d’autre part la capacité de la cellule. Cette technique est souvent apparentée au “network MIMO” dans le sens où les émissions sont émises/reçues de différentes localisa- tions géographiques et plus seulement d’une seule localisation en MU ou SU MIMO. Sur le papier cette technique a un fort potentiel mais elle peut avoir à faire face à des difficultés de dé- ploiement telles que son intérêt risque de se trouver limité : la bande passante requise entre les antennes pour échanger les CSI (“Channel State Information”), et le déploiement massifs d'antennes RRH (certains pré- conisent d'avoir autant « voire plus » d'antennes que d'utilisateurs afin de réutiliser plus de 100 % du spec- tre par usager...) ou la synchronisation fine entre les nœuds réalisant le traitement en bande de base nous semblent être parmi les difficultés les plus importantes. Il existe néanmoins des architectures naturellement compatibles avec le network MIMO, comme le Cloud RAN, qui centralisent les calculs en un point unique, fa- cilitant au passage les besoins de synchronisation, mais au prix d’une connexion à haut débit vers les RRH [2]. Les déploiements de l'eUTRAN, ont commencé en Europe, en Asie et en Amérique : après plus de 20 ans pendant lesquels ont coexisté deux familles de normes radio mobiles, celle d'origine nord-américaine et celle d'origine européenne, les opérateurs de télécommuni- REE N°5/2011 ◗ 91 La quatrième génération des systèmes mobiles : Le réseau d'accès radio LTE cations mobiles des différents continents semblent se rallier à cette nouvelle norme. Cette norme mondiale va coexister avec d'autres normes comme Wi-Fi ou WiMAX qui ainsi qu'on le verra dans l’article suivant, pourront être prises en charge par le même cœur de réseau ePC. C'est un progrès important à noter en plus des progrès qu'offrira LTE en matière de performances radio, de coût de déploiement et de facilité d'exploitation. Références [1] LTE, the Long Term Evolution, from theory to practise; edited by Stefania Sesia, Issam Toufik and Matthew Baker, Wiley. [2] Wireless network cloud: Architecture and system requi- rements; Lin Y., Shao L., Zhu Z., Wang Q., Sabhikhi R. K.; IBM Journal of Research and Development, January- February 2010. [3] ETSI TS 136 101 V8.14.0 (2011-06), Technical Specification LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio ccess (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (3GPP TS 36.101 version 8.14.0 Release 8). Laurent Thomas a reçu son diplôme d’Ingénieur télécoms de l’institut Galilée en 1989. Après quelques années de développement logiciel pour les premiers réseaux cellulai- res numériques et les précurseurs d’Internet, il a consacré 10 ans au développement de systèmes d’analyse de perfor- mance des réseaux cellulaires, pour SFR puis Alcatel-Lucent. Depuis 5 ans, il dirige un département d’Alcatel-Lucent Bell Labs, centré sur la création de réseaux sans-fils pour les services multi-média. Laurent Roullet a rejoint Alcatel-Lucent Bell Labs en 2009 le programme de recherche “small cells”, se focalisant sur les aspects gestion d’interférence et optimisation du “hand- over” dans le cadre des réseaux hétérogènes. Avant cela, Laurent Roullet a accumulé une expérience d'une dizaine d'années dans le domaine de la diffusion vers les réseaux mobiles et a exercé en tant qu'expert DVB-SH et représen- tant d'Alcatel-Lucent auprès du DVB Forum. Laurent Roullet est diplômé de l'école Polytechnique (Palaiseau, 1992), de l’ENSAE (Toulouse, 1997) et il possède un master en trai- tement du signal numérique et de l'image (université de Toulouse, 1997). les auteurs