LTE et les réseaux 4G

566 Pages·2012·64.688 MB·French

by  Yannick Bouguen, Eric Hardouin, François-Xavier Wolff, Alain Maloberti

L T E
, et les
r e s e a u x
4 G
Yannick Bouguen
Éric Hardouin
François-Xavier Wolff
LTE
, et les
4G
reseaux
Yannick Bougum, diplômé de
Télécom Bretagne, a rejoint
le groupe France Télécom
Orange en 2005, aprés un
En cours de déploiement dans de nombreux pays, la technologie LTE (Long Term Evolution!, premier poste d'ingénieur
chez SFR. 1 a contribué
aussi connue sous le nom de 4G, représente une évolution majeure dans le domaine des à la définition de la norme
réseaux nnobiles. Le LTE constitue le prolongement du GSM (2Gl et de l'UMTS/HSPA (3G/3G+l, LTE en tant que délégué atJ
avec pour objectifs : sein du groupe RAN3 du
:EPP. Il est actuellement
• d'accroître les débits offerts aux utilisateurs ; responsable du réseau
mobile Orange pour le Sud
• d'augmenter la capacité des réseaux; Est de la France.
• d'améliorer l'interactivité grêce à une réduction de la latence.
Eric Hardouin a ~oint
Cet ouvrage pro pose une synthèse accessible et commentée des spécifications techniques France Té lécom-Orange
du LTE. Il présente notamment les motivations de cette nouvelle technologie, l'architecture en 2004, aprés une thése
de doàorat à Télécom
LTE/EPC, les principes techniques et les mécanismes normalisés de l'interface radio, les
Bretagne. Depuis lors,
procédures d'appels et de gestion de la mobilité. Les interactions avec le réseau cœur EPC il conduit des redterches
Œvo/ved Packet Core! sont également décrites. Des développements sont enfin consacrés sur les techniques de lutte
contre l'interférmœ dans
aux innovations propres au LTE, telles que les fonctionnalités d'auto-organisation ou encore les réseaux mobiles Oepu is
le support natif des cellules femto. 2008, il participe à la
normaisation de la couche
physique du HSPA, du LTE
Au sommaire et de leurs évolutions au sein
du groupe RAN 1 du 3GPP.
Introduction au LTE • L'architecture LTE/EPC • L'interface radio du LTE • Codage de canal • MIMO
• OFDM • Sclteduling • HARQ • Le protocole MAC • Les protocoles NAS • L'accès au réseau • La François-Xavi..-Wolff,
diplômé de l'INPG, a rejoint
gestion des appels • La mobilité en mode veille et en mode connecté• La sérurité • Les réseaux le Groupe France Té lécom
auto-organisés• Les cellules femto • Le LTE Advanced. Orange en 2002. Aprés
avoir mntTibué au lanœment
des technologies 3G/3G+,
il a participé à la définition
A qui s'adresse cet ouvrage ? de la norme LJE au 3GPP. 1
est actuellement responsalJle
• Aux ingénieurs télécoms travaillant à la mise en place des réseaux 4G chez les opérateurs de prograrnne au sein de l.a
et letrs partenaires.
direction technique d'Orange
• Aux chercheurs et ingénieurs de recherche impliqués dans la conception et le développement France.
de solutions LTE.
• Aux enseignants-c/lerchel.U's et étudiants d'écoles d'ingénieurs et de masters ooiversitaires.
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LTE
et les
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4 G
CHEZ LE MËMEl ÉDITEUR
G. Pw0t..ce. - l.A!S Réseaux.
N°12878, 7' édition, 2011, 762 pages.
J.-F. BouCHAuov. - Linu:< Administration. Tome 3 : sécuriser un serveur Linu:<.
N° GI 3462, 2'édition, 2012,512 pages.
R. Bei<COIN, C. Boui<c. Mémento Cisco, !OS- Co11jigumtio11 générale.
N°13347, 2'édition, 2011, 14 pages.
L. Lev1e1<, C. LLOt\eNS.- Tableaux de bord de la sééurité réseau.
N°12821, 3' édition, 2010, 562 pa!,"'S.
M. LuCAs, M. Dei<cHe.. - Le petit manuel des routeurs Cisco.
N°12&12, 2009, 162 pages.
P. Suc'l'AN.- Asterisk.
N°12434, 2009, 298 pages.
J. GAae..~. N. MAKA1<ilv1'1CH.- Nagios 3 pour la supervision et la métrologie.
N°12473, 2009, 482 pages.
P. N. HANS'l'ffiN. - Le livre de Packet Filler.
N°12516, 2009, 190 pages.
S. Bo1rne1<e..~. - Authentification réseau avec Radius.
N°12007, 2006, 300 pages.
J. Sm1NBERC, T. SNœo, adapté par B SoNNî'AG. -SSL V.PN. Accès web et extranets sécurisés.
N°11933, 2006, 220 pages.
D. MALe..~. G. PuJOcce.- Wi·Fi par la pratique.
N°11409, 2' édition, 2004, 420 pages.
G. Pw0t..ce,e1 al. - Sécurité Wi·Fi.
N°11528, 2004, 242 pages.
Sous la direction de Guy Pujolle
L T E
et les
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Yannick Bouguen
Éric Hardouin
François-Xavier Wolff
Préface d'Alain Maloberti
EYROLLES
ÉDITIONS EYROLLES
61, bd Saint-Germain
75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com
Les figures et tables suivantes sont reproduites avec la permission du 3GPP © 2009:
Figures 3-19, 3-20, 3-21, 3-22, 4-2, 4-3, 4-4, 5-4, 9-2, 9-7, 13-4, 19-4, 20-1, 20-4, 20-5, 20-7, 20-11
Tables « Configurations voie montante (U)/voie descendante (D). S note la sous-trame spéciale », « Schéma
de codage et rendement du code pour les canaux de transport », « Schéma de codage et rendement du code
pour les informations de contrôle»,« MCS utilisés pour déterminer le CQI »,«Extrait de la table donnant les
TBS en fonction de l'indicateur ITI" et du nombre de PRB alloués», «Éléments du dictionnaire pour 2 ports
d'antenne»,« Modes de transmission (C-RNTI) »,«Nombre et indice des symboles DMRS pour le PUCCH
dans un slot »,«Formats du PDCCII »«Formats de PUCCH »,«Taille des RBG en fréquence en fonction de
la largeur de bande du système»,« Liste des espaces de recherche de PDCCJ 1 pour un VE», «Modes de retour
sur le PUSCII »,«Taille des sous-bandes en fonction de la bande du système pour les modes 1-2, 3-0 et 3-1 »,
« Nombre et taille des sous-bandes en fonction de la bande du système pour les modes 2-0 et 2-2 », « Modes
de retour sur le PVCCH l>, «Taille des parties de bande et sous-bandes en fonction de la largeur de bande du
système l>
La figure suivante est reproduite avec la permission du 3GPP © 2010:
Figure 23-7
Les figures et table suivantes sont reproduites avec la permission du 3GPP © 2011 :
Figures 2-6, 2-9, 2-10, 2-14, 2-19, 2-20, 2-21, 2-22, 19-3, 19-8, 21-5, 21-8, 21-9, 22-2, 22-3, 22-4, 22-5
Table« Dictionnaire de précodage pour la voie montante, pour 2 antennes d'émission l>
LesTS etTR du 3GPPrn sont les propriétés de l'ARIB, l'ATIS, le CCSA, l'ETSI, laTTAet le TTC qui en détiennent
conjointement le copyright. Ils sont Sl\jets à modifications futures et vous sont par conséquent fournis« tels quels l> à
des fins d'information uniquement. Tout autre usage est strictement interdit.
En application de la loi du 11 ma.rs 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage,
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20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris.
©Groupe Eyrolles, 2012, ISBN : 978-2-212-129\Kl-8
Préface
L'idée d'une nouvelle technologie mobile, plus performance que la 3G et ses évolutions, a vu le jour
au milieu des années 2000, au sein du groupe 3GPP, l'organisme de normalisation des systèmes
mobiles 3G UMTS. Poussé par les opérateurs qui pressentaient le besoin à venir d'un système
mobile conçu autour des services de données très hauts débits, avec plus de capacité, plus de
vitesse, plus facile à déployer et à exploiter, le groupe 3GPP a commencé des études sur ce qui a
alors été appelé LTE (Long Tenn Evolurio11).
Mais le LTE n'allait pas rester longtemps une vision à long terme, et est vice devenu nécessaire
pour faire face aux besoins croissants d'échanges de données en mobilité.
En effet, la fin des années 2000 et le début des années 2010 one vu une véritable révolue ion dans
l'usage et la consommation de services de données depuis un téléphone mobile. Cette révolution a
été rendue possible par la conjonction de deux facteurs: d'une parc l'apparition et la généralisation
de« téléphones intelligents» (smartphones, puis tablettes), dans le sillage de la commercialisation
du premier modèle i-Phone d'Apple et de son écosystème d'applications; d'autre part le déploie
ment généralisé des évolutions de la norme UMTS sur les réseaux, dites 3G+ (ou HSPA, pour High
Speed Packer Access, puis HSPA+), entraînant une amélioration significative de leur performance
pour les transmissions de données. Ces deux progrès simultanés one mis en route un cercle vertueux
de développement des usages clients, et de développements d'applications, mises à disposition de
ces clients à travers les kiosques d'applications (Of)f'Shof)s),ec leur permettant de nouveaux usages.
Ces derniers augmentent à leur cour l'attente des clients pour une meilleure qualité et une plus
grande performance des réseaux, que ce soie en termes de débits disponibles ou en termes de temps
de réponse pour accéder aux applications.
L'impact de cene révolue ion des usages sur le trafic de données véhiculé par les réseaux mobiles ne
s'est pas fait accendre; il s'est manifesté par des croissances annuelles de trafic de 60 % à plus de
100 % selon les pays. Sur dix ans, de tels eaux de croissance aboutissent à une multiplication du
trafic de données sur les réseaux mobiles par un facteur de 100 à 1 000.
Les possibilités d'augmenter les performances et la capacité avec les technologies 3G dans les
bandes de fréquences existantes à l'époque one été utilisées, avec le début du déploiement de tech
nologies 3G dans les bandes de fréquences 2G, et avec l'utilisation des différences étapes du HSPA
et du HSPA+. Mais il est vice apparu que seules la nouvelle génération LTE (aussi appelée 4G) et
de nouvelles bandes de fréquences (en Europe, autour de 2,6 GHz, ou, suite au dividende numé
rique, aucour de 800 MHz) seraient à même de satisfaire les besoins à venir.
•1• LT E et les réseaux 4G
La technologie LTE/4G, conçue ec optimisée pour la transmission de données, fournie des réponses
arnx accences des clients, avec des débits crêtes plus importants, ec des temps de réponse (latence)
plus faibles, mais aussi aux besoins des opérateurs, avec une capacité par unité de fréquence plus
importante ec des fonctions permettant d'assurer de manière optimale l'inceraccion entre les diffé
rences technologies (2G, 3G ou LTEJ4G) qui seront disponibles pour les terminaux. Elle permet
ainsi d'utiliser au mieux les nouvelles bandes de fréquences ec de réutiliser de façon plus efficace
celles qui sont occupées actuellement par des technologies 2G. Comme la 3G, cette nouvelle tech
nologie est appelée à évoluer dans le temps pour améliorer ses performances. C'est, pour la
première fois, une technologie uniqLLe à l'échelle de l'ensemble de la planète, évolution conver
gence de la «famille» GSM-3G ec de la «famille» COMA, ce qui hLi permet de bénéficier de
l'ensemble des forces de développement de l'industrie pour son évolution.
Cette quatrième génération connaît déjà, en 2012, un formidable succès commercial en Amérique
du Nord, ec est en cours ou en préparation de déploiement dans l'ensemble des pays d'Europe, en
suivant le rythme des allocations de nouvelles fréquences par les différents états. Il est donc impor
tant d'expliquer les principes de cette nouvelle technologie à l'ensemble des acteurs qui participent
à ce déploiement. C'est l'ambition de ce livre qui couvre non seulement les domaines contribuant à
la performance technique, mais aussi les fonctions d'exploitation, comme celles d'auto-organisa
tion des réseaux (fonction SON, pour Se/f-Orga11isi11g Nerworks) qui permettront d'insérer ce
réseau de nouvelle génération dans ceux existants. Le succès de cette nouvelle génération se mesu
rera non seulement au fait qu'elle tient ses promesses technologiques, mais aussi au fait que les
clients, équipés de terminaux multistandards (2G, 3G ec LTE/4G), pourront utiliser en coute occa
sion la technologie disponible la plus performante à l'endroit oli ils se trouvent, ec ceci sans couture.
Gageons que cet ouvrage y contribuera.
Alain MALOBERTI
Directeur de l'arc hi ceccure ec de lingénierie des réseaux
Groupe France Télécom - Orange
Table des matières
Avant-propos ............................................................................................................................................. XIII
Remerciements......................................................................................................................................... XV
CHAPITRE 1
LTE, la révolution de l'UMTS .................................................................................................................
Un peu d'histoire .................................................................................................................................... .
Les motivations pour l'introduction du LTE........................................................................................... 11
Processus de normalisation du LTE ........................................................................................................ 15
Allocation de spectre pour le LTE........................................................................................................... 20
Les services ............................................................................... .............................................................. 24
Catégories d' UE ........................................................................ .............................................................. 26
Performances du LTE.............................................................................................................................. 27
Au-delà de la Relea•e 8 ........................................................................................................................... 31
Références............................................................................................................................................... 32
CHAPITRE 2
L'architecture LTE/EPC .......................................................................................................................... 33
Architecture des réseaux 3GPP 2G et 3G................................................................................................ 33
Architecture LTE/EPC ............................................................................................................................ 37
Architecture protocolaire......................................................................................................................... 48
Le bearer EPS.......................................................................................................................................... 50
Les interfaces terrestres du LTE.............................................................................................................. 52
CHAPITRE3
L'interface radio du L TE......................................................................................................................... 59
Rappels sur le canal radio........................................................................................................................ 60
Les modes de duplexage.......................................................................................................................... 73
L'architecture de l'interface radio........................................................................................................... 78
Les canaux............................................................................................................................................... 85
Structure de trame de l'interface radio.................................................................................................... 91
La dimension fréquentielle en LTE......................................................................................................... 94
Les caractéristiques clés de la couche physique...................................................................................... 96
Introduction a.ux traitements d'émission et réception ............................................................................. 96
m11p LT E et les réseaux 4G
Synthèse fonctionnelle............................................................................................................................ 97
Références............................................................................................................................................... 98
CHAPITRE 4
Codage, modulation et adaptation de lien........................................................................................ 99
Codage de canal ............................................ ......................................................... ................................. 1O O
Embrouillage et modulation .................................................................................................................... 110
Adaptation de lien .................................................................................................. ................................. 112
Références............................................................................................................................................... 1 18
CHAPITRE 5
LeMIMO ...................................................................................................................................................... 119
LeMIMO ................................................................................................................................................ 119
Structure générale des traitements MIMO en LTE................................................................................. 132
Schéma~ MIM 0 normalisés en voie descendante................................................................................... 135
Schéma~ MIMO possibles en voie montante.......................................................................................... 142
Modes de transmission ............................................................................................................................ 143
Références............................................................................................................................................... 144
CHAPITRE6
Transmissions multiporteuses ........................................................................................................... 147
L'OFDM ................................................................................................................................................. 147
L'OFDMA. .............................................................................................................................................. 154
LeSC-FDMA .......................................................................................................................................... 156
Numérologie............................................................................................................................................ 158
Références ............................................................................................................................................... 160
CHAPITRE 7
Signaux de référence .............................................................................................................................. 161
Signaux de référence en voie descendante .............................................................................................. 163
Signaux de référence en voie montante.................................................................................................. 167
Références............................................................................................................................................... 178
CHAPITRES
Format des canaux physiques en voie descendante. .................................................................... 181
Canal de données en voie descendante (PDSCH) .................................................. ................................. 182
Canal de diffusion (PBCH) .................................................................................... ................................. 183
Canal de contrôle en voie descendante (PDCCH) ................................................. ................................. 184
Canal indicateur du format de contrôle (PCF[CH) ................................................................................. 188
Canal indicaceurd'HARQ (PHICH) ....................................................................................................... 190
Références............................................................................................................................................... 193