Etude théorique de la planification radio du réseau 4G LTE

Projet, rapport de stage, et mémoire de fin d’études PLANIFICATION RADIO D’UN RESEAU MOBILE DE LA QUATRIEME GENERATION : LE LTE  en PDF

Les différents types de cellules

On distingue plusieurs types de cellules en fonction de leur rayon de couverture, lié à la puissance d’émission de la station de base, et de leur usage par les opérateurs :
– Les cellules macro sont des cellules larges, dont le rayon est compris entre quelques centaines de mètres et plusieurs kilomètres. Les cellules macro couvrent l’ensemble d’un territoire de manière régulière et forment ainsi l’ossature de la couverture d’un réseau mobile. Elles sont contrôlées par des stations de base macro dont la puissance est typiquement de 40W (46dBm) pour une largeur de bande de 10MHz. Leurs antennes sont placées sur des points hauts, comme des toits d’immeubles ou des pylônes.
– Les cellules micro sont des cellules de quelques dizaines à une centaine de mètres de rayon, destinées à compléter la couverture des cellules macro dans des zones denses ou mal couvertes. Les stations de base associées sont appelées des stations de base micro et leur puissance est de l’ordre de 10W (40dBm). Leurs antennes sont typiquement placées sous le niveau des toits, généralement en façade de bâtiments.
– Les cellules pico poursuivent le même but que les cellules micro, mais sont associées à des puissances plus faibles, de l’ordre de 0,25 à 5W (24 à 37dBm). Elles peuvent notamment servir à couvrir des hot spots, ou de grandes zones intérieures (indoor), tels que des aéroports ou des centres commerciaux. Les antennes des stations de base pico peuvent être placées comme celles des stations de base micro, ou au plafond ou contre un mur à l’intérieur de bâtiments.
– Les cellules femto sont de petites cellules d’une dizaine de mètres de rayon, principalement destinées à couvrir une habitation ou un étage de bureaux. Elles sont associées à des puissances faibles, de l’ordre d’une centaine de mW (20dBm), et sont généralement déployées à l’intérieur des bâtiments

La trisectorisation

Afin de minimiser le nombre de stations de base macro, on utilise communément la trisectorisation. Ce déploiement consiste pour une station de base à mettre en œuvre un système d’émission/réception dans trois directions distinctes appelées azimuts. Ceci s’effectue au moyen d’antennes directionnelles, chaque antenne pointant dans une direction donnée. La Figure 1.01 présente une topologie commune de réseau macrocellulaire et illustre le concept de trisectorisation, chaque flèche représentant la direction de pointage d’une antenne et chaque hexagone représentant une cellule. Dans le cas de la trisectorisation, une cellule est aussi appelée un secteur. Notons que dans la réalité, notamment en milieu urbain, les cellules ne sont pas disposées selon un motif aussi régulier et peuvent être de formes variées en fonction de la propagation locale .

LE RESEAU 4G LTE

Le LTE est un projet mené par l’organisme de standardisation 3GPP visant à rédiger les normes techniques de la future quatrième génération en téléphonie mobile et ainsi apporter une évolution à long terme de la troisième génération. Le futur réseau s’appelle EPS (Evolved Packet System) et il est constitué d’un nouveau réseau d’accès appelé LTE et d’un nouveau réseau cœur appelé EPC (Evolved Packet Core) dont le projet s’appelle SAE (System Architecture Evolution). Dans ce chapitre, nous verrons les exigences du LTE, ensuite nous verrons l’allocation mondiale de son spectre avant de détailler son architecture. Nous verrons par la suite les changements au niveau des technologies utilisées (mode de duplexage, codage, modulation, technologie MIMO, architecture protocolaire) et enfin, les canaux.

_ Les exigences concernant le débit
L’E-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access) devrait augmenter significativement les débits de données crêtes. Ainsi, ces derniers devraient convenir à la taille des spectres alloués. Pour une configuration basique avec 2 antennes réceptrices à l’UE et une émettrice, le système supporte un débit de données crête de 100 Mbps dans une allocation spectrale de 20MHz en voie descendante et un débit de données crête instantané de 50Mbps en lien montant avec la même allocation spectrale [5].

_ La latence du plan de contrôle ou C-plane
Cette latence est significativement réduite. En effet, le temps de transition (excluant le délai de paging en lien descendant et le délai de la signalisation NAS ou Non Access Stratum) est moins de 100ms de l’état « camped-state », équivalent à l’état Idle Mode en Release 6, à un état actif tel que le CELL_DCH en Release 6, de telle manière que le plan utilisateur soit établi. Quant au temps de transition entre un mode en veille (CELL-PCH en Release 6) et un état actif (CELL_DCH en Release 6), il est moins de 50 ms. Ainsi, le système peut supporter un grand nombre d’abonnés par cellule ayant des accès quasi-instantanés aux ressources radio dans l’état actif. [5]

_ La latence du plan usager ou U-plane
Les spécifications habilitent une latence du plan usager de l’E-UTRA moins de 5ms dans la condition de déchargement (c’est-à-dire un seul utilisateur pour une donnée courante) pour un petit paquet IP. [5]

_ Les exigences de performance du système
Efficacité spectrale
L’E-UTRA devrait délivrer une très nette amélioration de l’efficacité spectrale et augmenter le taux binaire de la cellule en bordure de cellule tout en conservant les mêmes locations de sites déjà déployés. Dans un réseau chargé, l’objectif pour l’efficacité spectrale (en bits/seconde/ Hertz ou bits/s/Hz), est de 3 à 4 fois celle de la Release 6 HSDPA en voie descendante et elle est 2 à 3 fois celle de la Release 6 HSDPA en lien montant (déployé avec une seule antenne Tx à l’UE et 2 Rx à l’eNodeB). [5]
La mobilité
L’E-UTRAN doit soutenir la mobilité à travers le réseau cellulaire et doit être optimisé pour un faible débit mobile à une vitesse de 0 à 15 km/h. Un débit mobile supérieur entre 15 et 20Km/h devrait être supporté avec la haute performance. La mobilité à travers le réseau cellulaire est maintenue à une vitesse de 120 à 350Km/h (ou même jusqu’à 500Km/h en fonction de la bande de fréquence utilisée). La voix et les autres services en temps réel supportés dans le domaine circuits en Release 6 doivent être aussi supportés par l’E-UTRAN via le domaine paquets avec au moins une qualité égale à celle offerte par l’UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) sur la plage de vitesse. L’impact des intra-handovers E-UTRA sur la qualité (exemple : temps d’interruption) devrait être inférieur ou égal à celui produit par les handovers du domaine circuit en GERAN [5].
Couverture
L’E-UTRA devrait être suffisamment flexible pour accueillir une variété de scénarios de couverture pour lequel les objectifs de la performance définis dans les paragraphes précédents doivent être respectés en supposant la réutilisation des sites UTRAN existants et la même fréquence porteuse. L’E-UTRA offre les scénarios de déploiement suivants en termes de plage de cellules maximum : – Jusqu’à 5Km : les performances définies pour la mobilité et l’efficacité spectrale devraient être atteintes ; – Jusqu’à 30Km : des dégradations infimes dans la performance réalisée pour les objectifs définis pour les débits d’utilisateurs et une dégradation plus importante pour les objectifs définis pour l’efficacité spectrale sont encore acceptables, cependant les objectifs définis pour la performance de handover devraient être atteints [5].

Table des matières

TABLE DES MATIERES REMERCIEMENTS
NOTATIONS
ABREVIATIONS
INTRODUCTION GENERALE
1 CHAPITRE 1 LES RESEAUX MOBILES
1.1 Introduction
1.2 Concept cellulaire
1.2.1 Définition
1.2.2 Les différents types de cellules
1.2.3 Le motif cellulaire
1.2.4 Augmentation de la capacité cellulaire
1.2.5 La trisectorisation
1.3 Architecture générale des réseaux cellulaires
1.4 Les caractéristiques des réseaux mobiles
1.4.1 Le débit
1.4.2 La latence
1.4.3 La modulation
1.4.4 La technique d’accès multiple et le multiplexage
1.4.5 La largeur de bande
1.4.6 La portée
1.4.7 Liaisons entre l’UE et la station de base
1.4.8 Le duplexage
1.4.9 Notion de générations de réseaux
1.5 Les réseaux de première génération
1.6 Les réseaux 2G
1.6.1 Architecture d’un réseau de deuxième génération
1.6.2 Technique d’accès, multiplexage, codage
1.6.3 Les différentes évolutions
1.6.3.1 2.5G ou GPRS
1.6.3.2 2.75G ou EDGE
1.7 Les réseaux 3G
1.7.1 Architecture d’un réseau de troisième génération
1.7.1.1 L’UE
1.7.1.2 L’UTRAN
1.7.1.3 Le réseau cœur ou CN
1.7.2 Les différentes évolutions de la 3G
1.7.2.1 L’UMTS
1.7.2.2 Le HSPA
1.7.2.3 Le HSPA +
1.7.3 Comparaison des réseaux mobiles 2G et 3G
1.8 Les réseaux 4G
1.8.1 Changements dans un réseau de quatrième génération
1.8.2 Une évolution: le LTE Advanced
1.9 L’organisme de normalisation 3GPP
1.9.1 Présentation du 3GPP
1.9.2 Normalisation
1.10 Conclusion
CHAPITRE 2 LE RESEAU 4G LTE
2.1 Introduction
2.2 Les principales exigences du LTE
2.2.1 Les exigences concernant le débit
2.2.2 La latence
2.2.2.1 La latence du plan de contrôle ou C-plane
2.2.2.2 La latence du plan usager ou U-plane
2.2.3 Les exigences de performance du système
2.2.3.1 Efficacité spectrale
2.2.3.2 La mobilité
2.2.3.3 Couverture
2.2.4 Les exigences liées au déploiement
2.2.4.1 Les scénarios de déploiement
2.2.4.2 Flexibilité spectrale
2.3 Allocation spectrale du LTE au niveau mondial
2.4 Architecture détaillée du réseau 4G
2.4.2 L’UE
2.4.3 L’ Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
2.4.3.1 eNodeB
2.4.3.2 Le HeNB
2.4.3.3 Interfaces S1 et X2
2.4.4 Le cœur du réseau : EPC
2.4.4.1 Le S-GW
2.4.4.2 Le MME
2.4.4.3 Le HSS
2.4.4.4 Le P-GW
2.4.4.5 Autres entités de l’EPC
2.5 Architecture protocolaire
2.5.1 Plan usager et plan de contrôle
2.5.2 Les couches de l’interface radio
2.5.2.1 La couche physique
2.5.2.2 La couche 2
2.5.2.3 La couche RRC
2.6 Roaming
2.7 Handover
2.7.1 Handover intra-LTE et inter-RAT
2.7.2 Soft handover et hard handover
2.8 Codage et modulation
2.8.1 Le codage canal
2.8.2 La modulation
2.9 La technologie MIMO
2.10 Techniques d’accès
2.10.1 L’OFDM
2.10.2 L’OFDMA
2.10.3 LE SC-FDMA
2.11 Conclusion
CHAPITRE 3 ETUDE THEORIQUE DE LA PLANIFICATION RADIO DU RESEAU 4G LTE
3.1 Introduction
3.2 Interface radio du LTE
3.2.1 Le canal radio
3.2.2 Modes de duplexage
3.2.2.1 FDD
3.2.2.2 TDD
3.2.3 La dimension fréquentielle en LTE
3.2.3.1 Notion de largeur de bande
3.2.3.2 Notion de PRB et RE
3.2.4 Les canaux
3.2.4.1 Les canaux logiques
3.2.4.2 Les canaux de transport
3.2.4.3 Les canaux physiques
3.3 La structure de trame
3.3.1 Le type 1
3.3.2 Le type 2
3.4 Propagation dans les réseaux mobiles
3.4.1 Les pertes de propagation
3.4.2 L’effet de masque
3.4.3 Les évanouissements rapides
3.5 Modélisation de la propagation
3.5.1 Les modèles empiriques
3.5.1.1 Le modèle Okumura-Hata
3.5.1.2 Modèle de COST 231-Hata
3.5.1.3 Le modèle Standard Propagation Model
3.5.2 Les modèles déterministes
3.5.3 Les modèles semi-empiriques
3.6 La planification radio
3.7 Préparation à l’implémentation du réseau 4G/LTE
3.7.1 Refarming
3.7.1.1 Définition
3.7.1.2 Les types d’allocation de fréquences en refarming
3.7.2 Cohabitation des trois technologies sur un même réseau
3.7.2.1 Macro BTS
3.7.2.2 Solutions d’antennes
3.8 Dimensionnement
3.8.1 Définition
3.8.2 Dimensionnement de couverture
3.8.3 Bilan de liaison
3.8.3.1 Procédure de bilan de liaison
3.8.3.2 MAPL
3.8.3.3 EIRP
3.8.3.4 Sensibilité du récepteur
3.8.3.5 SINR
3.8.3.6 IM
3.8.3.7 Body Loss
3.8.3.8 Penetration Loss
3.8.3.9 SFM
3.8.4 Calcul du rayon de cellule
3.8.5 Calcul de l’aire de couverture d’un eNodeB et du nombre d’eNodeB nécessaire
3.8.6 Dimensionnement de capacité
3.8.7 Dimensionnement du nombre d’utilisateurs actifs
3.8.8 Dimensionnement des liens S1 et X2
3.9 La planification détaillée
3.9.1 Acquisition de sites
3.9.2 Phase d’étude et de simulation
3.9.2.1 Planification de fréquences
3.9.2.2 Planification de PCIs
3.9.3 Phase de survey
3.9.4 Phase de draft et de validation
3.9.5 Phase finale de la planification
3.10 Optimisation post-planification
3.10.1 Définition
3.10.2 Optimisation aérienne
3.10.2.1 Tilt
3.10.2.2 Azimut
3.10.3 Evaluation de la performance du réseau
3.10.3.1 Le drive test
3.10.3.2 Le système de gestion de statistiques du réseau mobile
3.10.3.3 Analyse des résultats et optimisation
3.11 Conclusion
CHAPITRE 4 ETUDE DE CAS : PLANIFICATION D’UN RESEAU 4G LTE SUR LE RESEAU 2G/3G D’ORANGE MADAGASCAR
4.1 Introduction
4.2 Refarming
4.3 Objectif et données d’entrée de la simulation
4.3.1 Objectif
4.3.2 Les données en entrée et les exigences
4.4 Dimensionnement
4.4.1 Choix du modèle de propagation
4.4.2 Bilan de liaison
4.4.3 Calcul du MAPL
4.4.4 Calcul du rayon de la cellule
4.4.5 Calcul du débit crête en DL
4.5 Présentation de l’outil ATOLL
4.5.1 Technologies supportées
4.5.2 Les fonctionnalités d’Atoll.
4.6 Planification sur ATOLL
4.6.1 Phase de sélection des sites 4G à partir des sites 2G/3G existants
4.6.2 Phase de préparation du projet
4.6.3 Phase d’importation des données des sites 2G/3G
4.6.4 Prédiction de couverture
4.6.4.1 Planification des cellules voisines
4.6.4.2 Planification des PCIs
4.6.4.3 Prédiction de couverture
4.6.5 Prédiction de la qualité
4.6.6 Prédiction du débit
4.6.7 Résumé des résultats
4.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
100 ANNEXE 1 : CATEGORIES DES TERMINAUX DU LTE
101 ANNEXE 2 : LES CANAUX
102 ANNEXE 3: LE BBH ET LE SFH
ANNEXE 4 : LES MODELES DE CANAL EN LTE
ANNEXE 5 : LES PCI
ANNEXE 6 : BANDE DE FREQUENCES UTILISEES EN LTE
BIBLIOGRAPHIE
FICHE DE RENSEIGNEMENTS

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