Évolution LTE, Architecture de LTE et Interface radio

By 19 July 2013

2.2 Évolution LTE
2.2.1 Contexte et exigences

Le développement rapide des services de partage audio/vidéo (Youtube, Flickr), media streaming (VoIP, IPTV), réseaux sociaux (Facebook, MySpace) dans le domaine filaire… génère de grandes quantités de données. Par ailleurs, un large nombre d’équipements qui permet d’accéder aux services sont disponibles aux utilisateurs tels que : ordinateur portable, PDA, smartphone, “notebook enabled modem” … L’utilisateur a donc besoin d’utiliser ces services avec la même expérience sur le domaine sans-fil, en particulier sur les réseaux cellulaires qui permettent à l’utilisateur d’être connecté accéder n’importe quand, n’importe où. Ces données vont produire un débit élevé sur ces réseaux qui, jusqu’alors, s’intéressent principalement au service de voix, pas aux services de données.

Les services de données sont différents des services de voix par: le débit très variable, la QoS différente pour chaque utilisateur/service, l’utilisation fréquente de connexion IP. Les équipements ont donc tendance à utiliser des connexions natives IP sans traduction et filtrage pour supporter efficacement ces services. L’évolution du cœur des réseaux téléphonies arrive à une architecture “tout IP” qui supporte plus efficacement les connexions IP et un réseau entièrement par commutation des paquets facilite les mécanismes de QoS et l’utilisation plus efficace des ressources.

En général, LTE a pour but d’offrir un haut débit dans le sens montant et descendant, de réduire le délai d’accès, d’utiliser une bande passante de manière flexible, et d’inter- fonctionner avec les réseaux existants (3GPP et non-3GPP). Cela permet à l’opérateur de fournir des services tels que VoIP, vidéo-conférence, jeux vidéo en ligne, IPTV, et l’autre service des données interactifs.

Les caractéristiques principales de LTE sont (source principale [12]) :

* Amélioration de l’interface radio afin d’augmenter le débit montant/descendant, et la capacité, ainsi que la performance en bordure de cellule. LTE utilise l’OFDMA pour le sens descendant et SC-FDMA pour le sens montant, en combinaison avec de nouvelles technologies d’antenne telles que MIMO et « beaming form ». Il est prévu d’obtenir un débit descendant de 100 Mbps; et un débit montant maximal de 50 Mbps sur une bande passante de 20MHz. Mais en théorie, le débit descendant peut atteindre 326.4Mbps with 4×4 MIMO, et le débit montant peut atteindre 86.4 Mbps sur la bande passante de 20 MHz [13]. Une cellule peut supporter au moins 200 d’utilisateurs à la bande de 5MHz, et 400 d’utilisateurs à la bande plus large que 5MHz [14].

* Réduction du délai d’accès : le délai d’aller-retour est inférieur à moins de 10ms et d’initialisation est inférieur à 100 ms afin de supporter des services interactifs et temps réel.

* Mobilité : la performance de LTE est optimisée dans le cas où la vitesse est inférieur à que 15km/h. LTE supporte la vitesse de 120 à 350 km/h (voire 500 km/h, selon la bande utilisée)

* Flexibilité du spectre radio : LTE peut-être déployé dans des bandes allant de 1,25 MHz à 20 Mhz, et la bande appariée et non appariée de la 3G. Cela permet à l’opérateur de déployer LTE sur la bande existante, de ne pas demander le permis de nouvelle bande. LTE supporte FDD et TDD.

* Architecture « tout IP », il y a une partie significative du travail de 3GPP pour convertir l’architecture réseau du cœur vers une architecture tout IP qui est envisagée pour simplifier l’inter-fonctionnement avec les réseaux filaires et les réseaux sans fils non-3GPP.

* Architecture simplifiée permet d’améliorer l’extensibilité du réseaux.

* Compatibilité avec les réseaux 3G existants. Il faut que LTE supporte le handover avec les réseaux existants tels que UMTS/HSPA et GSM/GPRS/EDGE. De plus, il faut supporter le handover inter-domaines entre sessions de commutation de paquets et de circuits.

2.2.2 Architecture de LTE

L'architecture générale du réseau LTE
llustration 6: L’architecture générale du réseau LTE

La figure 6 présente l’architecture générale d’un réseau LTE qui se compose d’un réseau d’accès et d’un réseau cœur et d’autres blocs qui permettent aux réseaux LTE de se connecter avec les réseaux 3GPP existants, les réseaux IP, réseaux téléphoniques commutés (PSTN) et les réseaux non 3GPP tels que WiFi, Wimax. Le téléphone portable « dual mode » fournit l’accès au réseau LTE et aussi aux réseaux 3GPP existants.

En comparaison avec l’architecture de UMTS et GSM, le réseau LTE a moins de nœuds afin de réduire le délai et d’augmenter la performance du système [14].

2.2.2.1 Noeuds principaux

L’architecture de réseau cœur est basée sur le protocole TCP/IP. Cela permet de simplifier l’interfonctionnement avec les réseaux fixes et non-3GPP. En comparaison avec le cœur GPRS du réseau UMTS, le réseau cœur a moins de nœuds, mais chaque nœud s’occupe de plus fonctions. Il y a trois nœuds principaux : MME au plan contrôle, S-GW et P-GW au plan utilisateur. (source principale [15])

S-GW (Serving Gateway) 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 (et inter-réseaux 3GPP) sont en transit via cette ancre.

P-GW (Packet Data Network Gateway) fournit des connexions entre réseau 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. P-GW peut se connecter avec les réseaux PSTN et réseaux IP grâce à l’IMS, une architecture « overlay » par rapport au LTE, servant à établir, modifier et contrôler des sessions.

MME (Mobility Management Entity) 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.

HSS (Home Subscriber Server) est une base de données qui remplace le rôle de HLR et AuC qui étaient déjà introduits dans les réseaux 2G et 3G.

Le standard ne précise pas l’architecture physique de réseau du cœur. On peut séparer MME S-GW afin diminuer les interférences entre la signalisation du plan de contrôle et flux de données élevés du plan utilisateur. On peut séparer P-GW avec MME et S-GW afin d’isoler les paquets internes (du réseau cœur) avec des paquets externes (des autres réseaux IP). L’isolation facilite les opérations de sécurité.

Le réseau d’accès est réduit dans l’eNodeB qui joue le rôle du NodeB et du RNC (Radio Network Control) dans les réseaux UMTS. Cela permet de réduire le délai d’accès et de simplifier la fonction d’opération et de maintenance du réseau [14].

La différence entre eNodeB (LTE) et NodeB (HSPA) au plan utilisateur
Illustration 7: La différence entre eNodeB (LTE) et NodeB (HSPA) au plan utilisateur [15]

Dans le rôle du NodeB, l’eNodeB s’occupe de : la modulation/démodulation, le codage/ décodage des informations transmises sur l’interface radio. Dans le rôle du RNC, l’eNodeB s’occupe : du contrôle de ressources, du contrôle de la mobilité, de la compression des entêtes IP, et du chiffrement des données (voir 3GPPP TS 36.300, chapitre 4.1)

L’architecture traditionnelle de l’UMTS réserve la complexité et les nombreux calculs au RNC, et permet ainsi au NodeB de rester simple. Le RNC gère donc de nombreux (même des centaines [15]) de NodeBs et se coordonne avec les autres RNC pour contrôler la macro- diversité (afin de réduire l’interférence dans le réseau UTRAN basée sur la couche physique de CDMA). Les eNodeB peuvent se connecter directement avec le réseau cœur pour répartir le travail de RNC par l’interface S1.

De plus, le mécanisme de retransmission qui est entièrement implémenté dans l’eNodeB diminue le délai. En effet, l’UMTS/HSDPA sépare physiquement la retransmission entre NodeB (mécanisme de HARQ) et RNC (mécanisme de ARQ). La séparation conduit à l’utilisation de deux tampons dans le NodeB et dans le RNC, ce qui augmente le délai d’attente. Par d’ailleurs, le changement de NodeB cause la perte de paquets dans le tampon de ce NodeB. La retransmission par la couche TCP du RNC (troisième couche) coûte donc plus cher. Les eNodeB peuvent se connecter par l’interface X2 pour transmettre des paquets aux tampons, à la couche inférieure (deuxième couche), la retransmission coûte donc moins cher.

2.2.2.2 Architecture protocolaire

Comme le modèle d’interface d’UMTS, le modèle de LTE se compose d’un ensemble de couches verticales et horizontales. Les couches horizontales sont basées sur le modèle OSI. Les couches verticales divisent l’interface entre le plan de contrôle et le plan utilisateur. La division verticale correspond à la façon de séparer les flux de données. Les données du plan de contrôle sont transmises avec des contraints de sécurité, de fiabilité plus importantes. Celles du plan utilisateur sont transmises par des protocoles plus simple.

a) Plan de contrôle

Le plan de contrôle transmet des messages de signalisation telles que la signalisation de gestion de ressource radio, de gestion de mobilité, des services NAS (Non Access Stratum), des autres procédures entre mobile et réseau cœur.

Plan contrôle en couches
Illustration 8: Plan contrôle en couches [16]

La pile protocolaire à l’interface radio est presque la même que celle du plan utilisateur. Mais les paquets du plan contrôle sont transmis avec la priorité supérieure et une protection radio supérieure grâce à la couche MAC qui transmet des canaux logiques vers les canaux de transport correspondants.

b) Plan utilisateur

Le plan utilisateur regroupe l’ensemble des données d’usager et des signalisations au niveau application. La figure 9 présente l’architecture protocolaire du plan utilisateur. La couche d’application n’est présente qu’à l’UE et qu’au serveur d’application basé sur le protocole IP. Les données du plan utilisateur sont transparentes pour le cœur de réseaux.

Plan utilisateur
Illustration 9: Plan utilisateur

Les données sont transmises par un tunnel GTP-U. GTP-U est une partie du protocole GTP, l’autre partie est GTP-C liée au plan contrôle. Autre la fonction d’établir une connexion de bout en bout entre le mobile et le serveur d’application, le protocole GTP s’occupe d’acheminer les paquets vers l’eNodeB correspondant pendant un déplacement de l’utilisateur.

Le protocole GTP est transmis via UDP/IP. La pile du protocole GTP/UDP/IP ajoute donc 36 octets d’entête (20 octets d’IPv4, 8 octets d’UDP, et 8 octets de GTP).

2.2.3 Interface radio

Cette interface fournit des connexions entre UEs et eNodeB. La pile protocolaire est donc spécifique par rapport aux autres interfaces car liée aux liens sans fils.

Elle se compose de trois couches : la première couche (physique), la deuxième couche qui ressemble de la couche de liaison du modèle OSI, et la troisième couche (RRC).

La fonction principale de RRC est la gestion de la signalisation établie entre UE et eNodeBs. La couche RRC supporte les fonctions de : transfert de la signalisation du NAS, allocation et libération de ressources radio, diffusion de l’information du système, paging, handover, transfert du contexte utilisateur entre eNodeB pendant le handover, mesure et gestion d’énergie. RRC (RRC Connection Reconfiguration Messages/procedures) se compose des informations de la configuration des Radio Bearers qui contient des paramètres de la couche inférieure telles que la configuration pour la compression des entêtes de la couche PDCP[Annexe : PDCP Info].

La fonction principale de la deuxième couche est de donner un transport fiable entre deux équipements du réseau. A côté de MAC et RLC, deux sous-couches de la couche de liaison traditionnelles, 3GPP ajoute une sous-couche PDCP (cf. figure 10).

La deuxième couche de l'interface radio au sens descendant
Illustration 10: La deuxième couche de l’interface radio au sens descendant [16]

La sous-couche MAC regroupe des fonctions qui résolvent des problèmes spécifiques liés à la couche physique pour assurer le couplage entre la couche de liaison et la couche physique, telles que : multiplexage des canaux logiques vers canaux de transport correspondants (selon la pré-configuration), ordonnancement selon la priorité (« priority handling »), et correction d’erreurs sur le mécanisme de HARQ qui est héritée de 3G HSDPA.

La sous-couche RLC regroupe des fonctions indépendantes de la couche physique, telles que : remise en ordre des paquets, détection de perte, et demande de retransmission (Auto Repeat Request). Il y a trois modes de fonctionnement: TM (Transparent Mode), UM (Unacknowledged Mode), et AM (Acknowledged Mode). RLC n’ajoute rien au paquet original dans le mode TM. La couche peut détecter des pertes et remettre en ordre des paquets dans le mode UM. Enfin, dans le mode d’AM, l’entité RLC peut demander à l’autre bout de retransmettre le paquet.

2.2.4 La sous-couche PDCP

La sous-couche PDCP se compose des entités PDCP. Chaque entité est rattachée à une entité de la couche supérieure (Data Radio Bearer), et une ou deux entités de la couche RLC. La figure ci-dessous représente les fonctions d’une entité PDCP (source principale [17]) :

* Utiliser RoHC pour compresser/décompresser des entêtes de paquets.
* Mettre en ordre des paquets de la couche RLC.
* Garantir de l’intégrité des messages de signalisation du plan de contrôle.
* Chiffrement et déchiffrement des messages de signalisation du plan utilisateur.
* Ajouter/enlever un entête PDCP
* Ne pas traiter les messages de signalisation de contrôle broadcast et de paging.

La fonction de la couche PDCP
Illustration 11: La fonction de la couche PDCP [17]

Dans le cas de handover, et dans le sens montant, l’entité PDCP va rétablir la compression des entêtes (recréer la contexte de RoHC), ensuite tous les paquets qui ne sont pas acquittées par la couche inférieure sont retransmises jusqu’à ce que tout le tampon de HARQ soit vide. Dans le sens descendant, l’eNodeB va transmettre tous les paquets qui ne sont pas acquittés par la couche inférieure vers le nouveau eNodeB par l’interface X2, ensuite rétablir la compression des entêtes. S’il n’y a pas d’interface X2 entre deux eNodeB, la couche supérieure va s’occuper de retransmettre les paquets. Le protocole RTP/UDP n’a pas de mécanisme de retransmission et ne peut donc pas rattraper les pertes éventuelles dans les services VoIP et IPTV [18].

2.2.5 Couche physique

Les deux techniques qui apportent des évolutions de LTE dans le réseau d’accès sont OFDMA et MIMO.

OFDMA est une combinaison de technique de modulation et de technique d’accès multiple. OFDMA répartit la bande passante en N multiples sous-porteuses orthogonales qui sont partagées par de plusieurs utilisateurs. Chaque sous-porteuse est modulée indépendamment en utilisant des modulations numériques : QPSK, QAM-16, QAM-64. le récepteur les retrouve en appliquant des IFFT.

OFDMA réduit le problème d’ISI (Inter Symbol Interference) qui est causé par des trajets multiples et enlève l’utilisation de l’égalisation. En comparaison avec CDMA, OFDM a la même efficacité spectrale mais fonctionne mieux que la bande passante supérieure à 10MHz. L’affectation nombre de sous-porteuses pour un utilisateur est dynamique, cela permet à la couche supérieure (MAC) de planifier plus flexiblement l’utilisation des ressources [19]. OFDMA est bien adapté aux services broadcast/multicast car OFDM permet au mobile de combiner le signal de multiples émetteurs.

Dans le sens montant, le mécanisme de SC-FDMA est basé sur le même principe qu’OFDMA, mais il a été choisi car son taux de PAPR « Peak-to-Average Power Ratio », est inférieur à celui de l’OFDMA. Plus ce taux est haut, plus le prix et la consommation d’énergie du terminal augmentent [20].

En comparaison avec les techniques d’antennes traditionnelles qui améliorent la qualité d’un canal, MIMO est une technologie antenne avancée, qui permet de multiples transmissions en parallèle (canaux orthogonaux) par l’utilisation de plusieurs antennes au niveau du récepteur et de l’émetteur.

L’augmentation de la qualité est proportionnel au nombre d’antennes. MIMO est également une technique de diversité spatiale qui augmente la capacité du système et le débit d’utilisateur sans énergie de transmission et ni de bande passante supplémentaires. En comparaison avec 1×1 antenne, 2×2 MIMO peut augmenter 80% de débit[5]. MIMO fonctionne mieux dans une région urbaine où il y a un large nombre d’utilisateurs mobiles (haut ratio de SNR et assez de diffusion « rich scattering ») [14]).

Lire le mémoire complet ==> (Utilisation de la compression des entêtes dans les réseaux cellulaires de type 4G)
Institut de la Francophonie pour l’Informatique – NEXTTV4ALL
Mémoire de fin d’études – Intégration de RoHC dans l’architecture de LTE
Master Informatique, option Systèmes et Réseaux