Réseaux mobiles pour les véhicules connectés

Dans les deux dernières décennies, le nombre d’abonnés mobiles a considérablement augmenté dans le monde entier. Après le succès des technologies 2G/3G (GSM/EDGE, UMTS/HSPA, etc.) et la demande toujours croissante pour l’accès à Internet pour les terminaux mobiles, ITU-R (International Telecommunications Union-Radio communications) a spécifié un ensemble d’exigences pour les normes 4G, appelé IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced). Cette spécification définit les exigences générales du système comme: la migration vers le tout-IP, des latences plus faibles (latence du transfert des données, latence de handover, etc.), transferts à travers des réseaux hétérogènes, efficacité spectrale élevée, une large gamme de débits de données pour les applications de faible à grande mobilité (100 Mb/s pour les véhicules, 1Gb/s pour les piétons et les utilisateurs fixes) [61].

Les organismes de standardisation telle que 3GPP (3rd Generation Partnership Project), et IEEE étaient en compétition pour élaborer une nouvelle norme qui répond aux exigences IMT-Advanced. La première étape vers cet objectif était le développement de deux technologies, considérées comme deux solutions pré-4G LTE: LTE (release 8/9) développée par le 3GPP et WiMAX développé par IEEE. Ensuite, en se basant sur des améliorations des deux solutions pré-4G, deux nouvelles technologies ont été proposées, le LTE Advanced (LTE-A, release 10) et WiMAX Mobile release 2 (aussi connu sous le nom IEEE 802.16m), qui ont finalement été adoptées comme normes 4G conformes à la spécification IMT-Advanced exigée par l'ITU-R [61] [62].

Néanmoins, grâce à un fort soutien de l’industrie des télécommunications mobiles, la rivalité entre LTE et WiMax s’est soldée par une nette domination de la norme LTE, avec une tendance mondiale vers une large adoption de la 4G LTE. En effet, selon la GSA (Global mobile Suppliers Association), à la fin du 1er trimestre 2014, il y avait 240 millions d’abonnés LTE dans le monde, avec 288 réseaux LTE déployés commercialement dans 104 pays. Avec une couverture LTE en pleine expansion dans le monde entier, GSA prévoit que le nombre d’utilisateurs LTE dépassera les 1,5 milliard d’ici 2018 [62].

Alors que la technologie 4G avec LTE-A est à peine installée, l’industrie parle déjà de la 5G. Toutefois, à la date de rédaction de cette thèse, les informations autour de cette technologie restent essentiellement de nature spéculative. En effet, l’ITU vient juste d’établir la feuille de route pour

le développement des spécifications techniques détaillées du réseau mobile 5G, et a défini le terme "IMT -2020" pour les normes 5G à venir [79].

Cependant, la 5G sera basée, vraisemblablement, sur plusieurs des technologies développées ou en cours de développement pour la LTE-A, telles que la densification du réseau à l'aide de petites cellules, relais (fixes et mobiles), la connectivité double (Dual Connectivity, DC), l’agrégation de porteuses (Carrier Aggregation, CA), la communication périphérique à périphérique (D2D), MIMO massive, etc.; des évolutions des évolutions qui ouvrent la voie vers la 5G à l’horizon 2020 avec la promesse d’un débit encore plus élevé (10Gb/s) et d’un plus faible délai (1ms), ce qui renforce ainsi la tendance pour une future intégration véhicule et réseau mobile.

Le reste de cette section se concentrera uniquement sur les normes LTE et LTE-A.

2.2.1 Réseau LTE / LTE-A

La technologie Long Term Evolution (LTE) a été lancée la première fois en 2004 comme un projet de 3GPP qui avait pour objectif l’étude de la mise à niveau de la norme 3G Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). Dans un premier temps, ce projet s’est intéressé au développement du réseau d’accès radio (RAN) de l’UMTS, appelé le réseau d'accès radio terrestre UMTS évolué (E-UTRAN). Puis, 3GPP a défini une architecture simplifiée pour le réseau cœur, appelée Evolved Packet Core (EPC). Cette simplification est une conséquence de la transition d’un réseau UMTS qui supporte la commutation de circuits et la commutation de paquets, vers une architecture tout IP. En 2008, la première version de la technologie LTE a été publiée sous l’appellation LTE Release 8 (LTE Rel-8). Avec la release 9, LTE Rel-9 a offert des améliorations substantielles au niveau du débit offert à l’utilisateur final (jusqu'à 300 Mb/s pour la liaison descendante, et jusqu'à 75Mb/s pour la liaison montante), et cela grâce à d’adoption de nouvelles technologies au niveau de la couche physique telle que MIMO et OFDM.

LTE-Advanced (LTE-A) Rel-10/11/12 a étendu les capacités de LTE Rel-8/9 en introduisant de nouvelles fonctionnalités qui permettent des débits plus élevés ainsi qu’une réduction considérable du temps de relève et du délai d’établissement de connexion (délai d’environ 50 ms). Par ailleurs, LTE-A permet une efficacité spectrale bien élevée en termes de (b/s/Hz) en utilisant plusieurs antennes (liaison descendante MIMO jusqu'à 8x8 et la liaison montante MIMO jusqu'à 4x4). En plus, le LTE-A permet une plus grande efficacité spectrale par zone de couverture (b/s/Hz/km²),

en utilisant le déploiement massif des petites cellules (les femtocellules, picocellules et microcellules) avec la technologie des réseaux auto-organisés (SON).

2.2.2 Les petites cellules LTE-A

Les petites cellules sont des points d’accès sans fil de faible puissance et de rayon de transmission variable (de 10m à 1km) qui peuvent fonctionner dans le spectre avec ou sans licence. Elles peuvent être utilisées à l’intérieur comme à l’extérieur pour assurer une meilleure capacité et une couverture du réseau cellulaire pour les maisons, les entreprises et les espaces publics. Les opérateurs mobiles utilisent les petites cellules comme des éléments clés pour fournir une plus grande efficacité spectrale par zone de couverture et pour décharger le trafic aux heures de pointe.

Dans la terminologie 3GPP, une femtocellule LTE est appelée «Home eNode B (HeNB)». Dans ce qui suit, nous considérons les femtocellules dans le contexte LTE-A; les termes femtocellule LTE et HeNB sont interchangeables.

Selon les récentes améliorations de 3GPP LTE-A [65], les réseaux femtocellules peuvent être déployés comme illustré dans la figure 2. Le HeNB comprend les fonctions de l’eNB avec un petit champ de transmission. Chaque HeNB est relié au réseau cœur EPC à travers une passerelle de sécurité et une passerelle HeNB (facultative). Dans la pratique, les échanges du HeNB entre l’entité de gestion de mobilité (MME) et la passerelle de service (serving gateway, ou S-GW) sont effectués respectivement à travers les liens S1 (interfaces S1-MME et S1-U).

Figure 0.1 Architecture simplifiée du réseau LTE-A avec petites cellules HeNB et macro-cellules eNB [65]