Etude de la technologie 4G/LTE : implémentation des techniques OFDMA et SC-FDMA

(1)

UNIVERSITÉ D’ABOMEY-CALAVI

****

ÉCOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

*****

DÉPARTEMENT DE GÉNIE INFORMATIQUE ET TÉLÉCOMMUNICATIONS Option : Réseaux et Télécommunications (RT)

MÉMOIRE DE FIN DE FORMATION

POUR L’OBTENTION DU

DIPLÔME D’INGÉNIEUR DE CONCEPTION

Thème :

Etude de la technologie 4G/LTE : implémentation des techniques OFDMA et SC-FDMA

Réalisé et présenté par : Maître de mémoire : Ange Mikaël Mahougnon Dr. Max Fréjus O. SANYA

HOUNMENOU Enseignant Chercheur à l’EPAC

Année académique :2016 - 2017 10^èmePromotion

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Sommaire

Sommaire ii

Dédicaces iii

Remerciements iv

Liste des sigles et des abréviations viii

Liste des tableaux ix

Liste des figures x

Résumé xii

Abstract xiii

Introduction générale 1

I SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE 4

1 Généralités sur la technologie 4G LTE 5

2 Techniques d’accès LTE : OFDMA et SC-FDMA 22

II APPROCHE METHODOLOGIQUE 33

3 Différentes chaînes de transmission et modèles de canaux 34

4 Environnement et critères de performance 40

III RESULTATS ET DISCUSSIONS 46

5 Résultats et discussions 47

Conclusion générale et perspectives 55

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SOMMAIRE

Références bibliographiques 58

Annexes 60

English version 62

Table des matières 79

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Dédicaces

Je dédie ce travail

À mon défunt père Gervais !

qui demeure mon modèle, mon héros et mon guide.

À ma mère Olga !

cette source de tendresse, de patience et de générosité.

À mes frères Emmanuel et David ! qui, par un mot,

m’ont donné la force de continuer ce travail.

«Certes, il y a des travaux pénibles ; mais la joie de la réussite n’a-t-elle pas à

compenser nos douleurs ?» Jean de la bruyère

(5)

Remerciements

La réalisation de ce mémoire a été rendue possible grâce au concours de plusieurs personnes à qui je voudrais témoigner toute ma reconnaissance. Mes remerciements vont à l’endroit :

^{du Docteur}Léopold DJOGBE, Chef du département de Génie Informatique et Télécommu- nications (GIT) de l’EPAC ;

^{du Docteur}Max Fréjus 0. SANYA, enseignant à l’EPAC, pour la qualité de son enseignement, sa rigueur, sa grande patience, sa disponibilité et pour avoir accepté suivre ce travail en y consacrant une attention particulière en dépit de ses multiples responsabilités ;

^deshonorables membres du juryqui m’ont fait l’honneur d’accepter d’évaluer ce travail malgré leurs multiples occupations ;

de tous lesenseignants du département de GITpour la formation de qualité reçue ;

de MonsieurJoël K. FIOSSI, chef du Centre Réseau Sans Fil à Bénin Télécoms Services, pour sa disponibilité, ses conseils et explications ;

^{de tout le}personnel du Centre Réseau Sans Fil de Bénin Télécoms Services S.A ^{de Mr}José SINGBO, pour ses conseils et son soutien pour la réalisation de ce travail ;

des famillesHOUNTONDJIetAGBO-PANZOpour leur soutien et leurs conseils tout au long de mon cursus.

de mon cher amiJean-Claude VITOFODJIqui m’a toujours soutenu.

de Mademoiselle Mariline NOBRE VIGOUROUX, pour sa patience, sa compréhension à mon endroit, et pour les sacrifices qu’elle a consenti pour me soutenir dans les moments où j’en avais eu le plus besoin.

de toute la10^èmepromotiondu Secteur Industriel de l’EPAC.

de toutes les personnes dont je n’ai pas pu citer les noms ici, mais qui de près ou de loin ont contribué à la réalisation de ce travail.

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Liste des sigles et des abréviations

Nombres

1G première génération.

2G deuxième génération.

3G troisième génération.

3GPP 3rd Generation Partnership Project.

4G quatrième génération.

A

AMC Adaptive Modulation and Coding.

AMPS Advanced Mobile Phone System.

AWGN Additive White Gaussian Noise.

B

BPSK Binary Phase Shift Keying.

BSC Base station Controller.

BTS Base Transceiver station.

C

CAC Call Admission Control.

CDMA Code Division Multiple Access.

CP préfixe cyclique.

D

DFDMA Distributed Frequency Division Multiple Access.

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Liste des sigles et des abréviations

DFT Discrete Fourier Transform.

DwPTS Downlink Pilot Time slot.

E

EDGE Enhanced Data for GSM Evolution.

eNodeB Evolved Node B.

EPC Evolved Packet Core Network.

E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Access Network.

F

FAI Fournisseur d’Accès à Internet.

FDD Frequency Division Duplex.

FDMA Frequency Division Multiple Access.

G

GP Guard Period.

GPRS General Packet Radio Service.

GSM Global System for Mobile.

H

HSDPA High Speed Downlink Packet Access.

HSPA High Speed Packet Access.

HSS Home Subscriber Server.

HSUPA High Speed Uplink Packet Access.

I

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform.

IFDMA Interleaved Frequency Division Multiple Access.

IMS IP Multimedia Subsystem.

IS-136 Interim Standard-136.

(8)

IS-95 Interim Standard-95.

L

LFDMA Localized Frequency Division Multiple Access.

LTE Long Term Evolution.

M

MAC Medium Access control.

MIMO Multiple Input Multiple Output.

MME Mobile Management Entity.

MMS Multimedia Message Service.

N

NMT Nordic Mobile Telephone.

O

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing.

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access.

P

PAPR Peak Average Power Ratio.

PCRF Policy and Charging Rules Function.

PDCP Packet data Convergence Protocol.

PDN-GW Packet Data Network Gateway.

Q

QAM Quadrature Amplitude Modulation.

QoS Quality of Service.

QPSK Quaternary Phase Shift Keying.

R

(9)

RB Resource Block.

RF Radio Fréquence.

RLC Radio Link Control.

RNC Radio Network Controller.

RRC Radio Resource Control.

RRM Radio Ressource Management.

S

SAE System Architecture Evolution.

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access.

SGW Serving Gateway.

SMS Short Message Service.

T

TACS Total Access Communication System.

TDD Time Division Duplex.

TDMA Time Division Multiple Access.

TEB Taux d’Erreur Binaire.

U

UE User Equipment.

UIT Union Internationale des Télécommunications.

UMTS Universal Mobile Telecommunication System.

UpPTS Uplink Pilot Time Slot.

W

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access.

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access.

(10)

Liste des tableaux

1.1 Comparaison des technologies GSM, UMTS Release 99, HSPA et HSPA+ release 8 [UMTS FORUM, 2010] . . . 7 1.2 Bandes de fréquences exploitées en LTE [14] . . . 13 1.3 Configuration des largeurs de bande de transmission [16] . . . 17 2.1 Comparaison des technologies GSM, UMTS Release 99, HSPA et HSPA+ release 8

[UMTS FORUM, 2010] . . . 28 2.2 Tableau récapitulatif des paramètres du système SC-FDMA en fonction des largeurs

de bandes autorisées [23] . . . 30 5.1 Paramètres de simulation . . . 48

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Liste des figures

1.1 Architecture détaillée d’un réseau LTE . . . 10

1.2 Architecture détaillée d’un réseau LTE [13] . . . 11

1.3 Architecture des protocoles LTE autour de la couche physique [15] . . . 15

1.4 Structure de trame LTE Type 1 [16] . . . 16

1.5 Structure de trame LTE Type 2 [16] . . . 16

1.6 Schéma de bloc de ressources [16] . . . 18

1.7 FDD et TDD [17] . . . 19

1.8 Constellations des différentes modulations . . . 21

2.1 Environnement multi-trajets [19] . . . 23

2.2 N sous-porteuses orthogonales pour un système OFDM . . . 24

2.3 Intervalle de garde (préfixe cyclique) [20] . . . 26

2.4 Intégration du signal avec intervalle de garde [20] . . . 26

2.5 Espacement entre sous-porteuses . . . 29

2.6 Représentation temporelle du slot d’un système SC-FDMA à 5MHz de largeur de bande [23] . . . 31

2.7 Mapping de sous-porteuses [24] . . . 32

3.1 Diagramme bloc d’un système OFDMA . . . 35

3.2 Diagramme bloc d’un système SC-FDMA . . . 36

3.3 Différents modes de mapping des sous-porteuses SC-FDMA . . . 37

4.1 Schéma synoptique général de la chaîne de transmission . . . 42

4.2 Canal de Rayleigh simulé . . . 43

5.1 BER vs Eb/No pour les deux types de SC-FDMA (IFDMA et LFDMA) . . . 49

5.2 Comparaison IFDMA et LFDMA pour Q = 2 et Q = 4 . . . 50

5.3 Comparaison OFDMA et SC-FDMA (avec Q=1) . . . 50

5.4 Etude du BER en OFDMA - AWGN vs Rayleigh . . . 51

5.5 Comparaison OFDMA et SC-FDMA (avec Q = 2) pour un canal de Rayleigh . . . 52

5.6 Etude du PAPR pour différentes modulations en IFDMA et en LFDMA . . . 53

5.7 Représentation de signaux IFDMA et LFDMA . . . 53

(12)

LISTE DES FIGURES

5.8 Etude du PAPR pour différentes modulations - IFDMA vs OFDMA . . . 54

9 LTE Network Architecture . . . 66

10 LTE frame Type 1 structure [16] . . . 68

11 LTE frame Type 2 structure [16] . . . 68

12 Resource block scheme [16] . . . 69

13 OFDMA diagram block . . . 70

14 SC-FDMA diagram block . . . 71

15 Subcarriers mapping [24] . . . 71

16 BER vs Eb/No for two types of SC-FDMA (IFDMA and LFDMA) . . . 73

17 IFDMA and LFDMA comparaison for Q = 2 et Q = 4 . . . 74

18 OFDMA and SC-FDMA (with Q=1) comparison . . . 74

19 Study of BER in OFDMA - AWGN vs Rayleigh channel . . . 75

20 OFDMA et SC-FDMA (avec Q=2) comparison . . . 76

21 Study of the PAPR for different modulations in IFDMA and LFDMA . . . 76

22 Study of the PAPR for different modulations - IFDMA vs OFDMA . . . 77

(13)

Résumé

Les systèmes de communications mobiles ont considérablement évolué durant ces dernières années. La 4G accompagne l’avènement des smartphones et le développement de nouveaux usages fortement consommateurs de données numériques et de bande passante. La 4G LTE présente deux techniques d’accès : l’OFDMA et le SC-FDMA ; toutes deux basées sur la technique OFDM. Ce document présente les chaînes de transmissions OFDMA, SC-FDMA et évalue leurs performances pour différents schémas de modulation utilisés en LTE (BPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM) en se ba- sant sur le TEB (Taux d’Erreur Binaire) et le PAPR (Peak Average Power Ratio). Des résultats de nos simulations, nous observons que pour une valeur d’Eb/No donnée, les schémas de modulation d’ordre inférieur (BPSK et 4-QAM) présentent un TEB meilleur par rapport aux autres modulations. A constellation égale, nous montrons que le SC-FDMA présente un meilleur TEB par rapport à l’OFDMA qui réalise un meilleur débit de transmission. Aussi, à débit utile identique, nous montrons que l’OFDMA présente par contre de meilleures performances en TEB. Par ailleurs, on montre que le PAPR du SC-FDMA (IFDMA) est moins important que celui de l’OFDMA. De cette étude, nous montrons pourquoi, il est plus intéressant d’utiliser le SC-FDMA avec des modulations de faibles ordres en liaison montante. Les résultats obtenus permettront d’orienter les opérateurs et équipementiers télécoms quant au choix de la modulation à utiliser et selon les applications.

Mots-clés :4G LTE, OFDMA, SC-FDMA, TEB, PAPR

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Abstract

Mobile communications systems have significantly shifted over in recent years. Consumers use an increasing number of smartphone applications that requires more and more digital data and bandwith fufilled by 4G. 4G LTE has two access techniques: OFDMA and SC-FDMA; Both based on the OFDM technical. This document presents the OFDMA and SC-FDMA transmission chains.

It also evaluates their performance for different modulation schemes used in LTE (BPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM) based on BER (Bit Error Rate) and PAPR (Peak Average Power Ratio). From the results of our simulations, we observe that for a given Eb/No (binary SNR) value, lower order modulation schemes (BPSK and 4-QAM) have a better BER than other modulations. At equal constellation, we show that SC-FDMA has better BER compared to OFDMA which achieves a better transmission rate. Also, at the same useful data rate, we show that OFDMA has better performance in BER. In addition, it is shown that the SC-FDMA (IFDMA) PAPR is smaller than OFDMA PAPR. From this study, we show why it is more interesting to use SC-FDMA with low order modulations in uplink. The obtained results will help telecom operators and equipment manufacturers to choose modulation type for each application.

Keywords :4G LTE, OFDMA, SC-FDMA, BER, PAPR

(15)

Introduction générale

Le GSM (Global System for Mobile) et son évolution à travers le GPRS (General Packet Radio Service), l’EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution), le WCDMA (Wideband Code Division Mul- tiple Access) et le HSPA (High Speed Packet Access), sont des technologies de choix pour la grande majorité des opérateurs mobiles du monde. Les utilisateurs veulent que leurs débits de données augmentent, avec une réduction spectaculaire des frais de communication ; ils s’attendent main- tenant à payer moins pour recevoir plus. Par conséquent, en décidant des prochaines étapes, il doit y avoir une meilleure approche : l’amélioration considérable des performances à un coût ré- duit doit être fournie par des systèmes moins coûteux à installer et à entretenir. Le LTE (Long Term Evolution) et le LTE-Advanced représentent ces prochaines étapes et constituent la base des futurs systèmes de télécommunications mobiles [1].

La convergence fixe-mobile et l’ubiquité des services large-bande constituent deux défis ma- jeurs pour les opérateurs télécoms. L’émergence de nouvelles applications très consommatrices de débits et accessibles via les terminaux mobiles de nouvelle génération met d’ores et déjà en évidence les limites de capacité des réseaux radio-mobiles actuels (UMTS(Universal Mobile Tele- communication System)). Le développement des réseaux alternatifs de quatrième génération (4G) à haute capacité de transmission confirme cette insuffisance [2]. Dans les pays en voie de déve- loppement comme le Bénin, la technologie 4G/LTE se révèle rapidement comme une technologie qui jouera un rôle clé dans les réseaux sans fil à large bande. Il représente ainsi une technologie de prochaine génération qui est destinée à atteindre un débit de données élevé, une faible latence et une efficacité radio élevée en plus du faible coût et de la mobilité élevée.

Pour un accès à internet « haut débit », la technologie LTE est associée à l’utilisation de formats de modulation avancés tels que l’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) et le SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) qui permettent d’exploiter efficace- ment les ressources radio disponibles. Le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDMA) est utilisé pour la liaison descendante, et le SC-FDMA est utilisé pour la liaison montante comme systèmes à accès multiple LTE. Ces deux techniques basées sur l’OFDM (Orthogonal Fre- quency Division Multiplexing) présentent plusieurs avantages qui font du LTE un réseau mobile très intéressant.

(16)

1. Contexte, justification et problématique

Aujourd’hui, les utilisateurs demandent des connexions « haut débit » et souhaitent pouvoir se déplacer tout en étant connectés[3]. Pour répondre à ces différents besoins, les FAI (Fournisseurs d’Accès à Internet) et les opérateurs mobiles doivent surmonter des difficultés liées aux facteurs de : bande passante, zone de couverture et coûts d’infrastructure. Cela implique la conception de nouveaux types de réseaux de communication sans fil offrant une connectivité avec des débits plus importants et des services Internet innovants pour des abonnés fixes ou mobiles.

La demande d’un accès sans fil « haut débit » s’est faite croissante grâce au développement de nombreux services comme la visio-conférence, la téléphonie sur IP (VoIP) et bien d’autres[4]. La nécessité d’un système radio avec des données et des débits élevés a augmenté progressivement.

Après le système cellulaire UMTS, le système 4G/LTE est actuellement en train d’être déployé au Bénin. L’accent initial est mis sur la couverture et la réutilisation de l’infrastructure 2G et 3G exis- tante.

En effet, dans la technologie LTE, les deux techniques utilisées sont l’OFDMA et le SC-FDMA.

Elles permettent l’attribution et le partage d’une ressource radio commune (bande de fréquence) entre plusieurs utilisateurs. Ceci pour une efficacité spectrale et une meilleure qualité de service.

Elles sont toutes deux basées sur la technique OFDM [5].

L’idée derrière cette étude est l’implémentation des techniques employées en LTE afin de pro- poser des solutions contextualisées pour atteindre de meilleures performances.

2. Objectifs

L’objectif de ce travail est d’implémenter les techniques d’accès employées en LTE afin de mieux comprendre la technologie pour aider à accompagner son déploiement ou son adaptation dans des contextes liés aux contraintes d’énergie, de débit.

Il s’agira spécifiquement de :

décrire l’ensemble des éléments entrant dans la faisabilité de la 4G/LTE depuis la 3G/UMTS avec le besoin des opérateurs de déployer une infrastructure « low-cost » à long terme qui satisfasse les besoins des usagers en « haut-débit » ;

étudier les techniques OFDMA et SC-FDMA utilisées dans la transmission 4G/LTE ;

implémenter chacune des deux techniques pour des canaux sans fil radio de type AWGN et Rayleigh puis comparer leurs performances en termes de TEB (Taux d’Erreur Binaire) et de PAPR (Peak Average Power Ratio) ;

réaliser des simulations des différentes chaines de transmissions OFDMA et SC-FDMA en utilisant le logiciel Matlab ;

(17)

Le présent document qui est la synthèse de notre travail comprend trois parties :

La première partie est consacrée à la présentation de la technologie 4G/LTE ainsi que les techniques d’accès qui y sont implémentées ;

La deuxième partie est consacrée à la description et à la représentation des chaînes de transmission OFDMA et SC-FDMA ;

Enfin, la troisième partie présente les simulations effectuées pour l’étude des performances des différentes techniques d’accès ainsi que les résultats obtenus.

(18)

Première partie

SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

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Chapitre 1

Généralités sur la technologie 4G LTE

Contenu

1.1 Evolution des radiocommunications mobiles . . . . 6

1.2 Le Long Term Evolution (LTE) . . . . 8

1.2.1 Normes et exigences du LTE . . . 8

1.2.2 Architecture . . . 9

1.2.3 Bandes de fréquences allouées . . . 13

1.3 Description de la couche physique LTE . . . 14

1.3.1 Structure de trame et sous-trame . . . 15

1.3.2 Blocs de ressources . . . 17

1.3.3 Schémas duplex FDD et TDD . . . 18

1.3.4 Différents canaux LTE . . . 20

1.3.5 Adaptive Modulation and Coding (AMC) . . . 20

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1.1. EVOLUTION DES RADIOCOMMUNICATIONS MOBILES

Introduction

Ce chapitre présente, dans un premier temps, l’évolution des réseaux mobiles. Ceci permettra de mieux appréhender le contexte d’émergence du LTE, qui constitue un système dit de quatrième génération. Pour finir, la description de cette nouvelle génération de systèmes mobiles sera abor- dée.

1.1 Evolution des radiocommunications mobiles

Les réseaux mobiles ont beaucoup évolué depuis leur apparition dans les années 1970 à nos jours. L’histoire des réseaux mobiles est jalonnée par trois étapes principales auxquelles on donne couramment le nom de génération. On parle des première, deuxième et troisième générations de réseaux mobiles, généralement abrégées respectivement en 1G, 2G et 3G. Ces trois générations diffèrent principalement par les techniques mises en œuvre pour accéder à la ressource radio.

La première génération (1G) des réseaux cellulaires est apparue vers le début des années 1970 avec un mode de transmission analogique et des appareils de taille relativement volumineuse en offrant un service médiocre et très couteux de communication mobile. Les standards les plus utili- sés à l’époque étaient l’AMPS (Advanced Mobile Phone System), le TACS (Total Access Communi- cation System) et le NMT (Nordic Mobile Telephone) [6]. La 1G avait beaucoup de défauts, comme les normes incompatibles d’une région à une autre, une transmission analogique non sécurisée (l’écoute des appels), pas de roaming vers l’international [7].

Une deuxième génération (2G) lui a succédé avec l’apparition du traitement numérique des données à partir de 1990. Il devient ainsi possible de transmettre, en plus de la voix, des données numériques de faible volume telles que les SMS (Short Message Service) et les MMS (Multime- dia Message Service). Les standards 2G les plus utilisés sont le GSM, l’IS-95 (Interim Standard-95) qui est basé sur le codage CDMA (Code Division Multiple Access) et l’IS-136 (Interim Standard- 136) qui se base sur le codage TDMA (Time Division Multiple Access). Le GSM est cependant le standard ayant connu la plus grande percée avec l’utilisation de la bande des 1900MHz en Amé- rique du Nord et au Japon et de la bande des 900MHz et 1800MHz sur les autres continents. C’est d’ailleurs sur ce standard que se basent les réseaux (GPRS : 2.5G et EDGE : 2.75G) qui sont venus corriger les faibles débits du GSM (environ 9,6 kbps). Le GPRS propose un débit théorique de 114 kbps permettant ainsi la transmission simultanée de la voix et des données. L’utilisation des applications multimédias est rendue possible par l’EDGE qui offre des débits allant jusqu’à 384 kbps [6].

Poussés par la nécessité d’augmenter les débits de données dans le cadre de la troisième géné- ration (3G), les standards ont évolué avec l’utilisation de modulations à forte capacité spectrale, et avec des techniques d’accès optimales, afin de pouvoir implémenter des applications telles que

(21)

1.1. EVOLUTION DES RADIOCOMMUNICATIONS MOBILES

l’internet mobile [8]. La troisième génération des réseaux mobiles (3G) est apparue pour établir des normes internationales afin de garantir une compatibilité mondiale, une mobilité globale, la compatibilité avec les réseaux 2G et des débits de 2 Mbps pour une mobilité faible et allant jusqu’à 144 kbps pour une mobilité forte. Les principales normes 3G sont le CDMA2000 et l’UMTS.

La norme CDMA2000 est une amélioration de la norme IS-95 et n’est pas compatible avec le GSM.

D’autres améliorations ont été apportées plus tard en terme de débit à l’UMTS donnant lieu aux normes HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) 3.5G qui offre un débit théorique maximum de 14.4 Mbps en liaison descendante et HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) 3.75G offrant un débit théorique maximum en lien montant de 5.76 Mbps. Ces deux normes sont regroupées sous le nom de HSPA [6].

Avec l’augmentation de la charge des réseaux, la qualité de service fournie aux clients se dé- grade, ce qui pose un véritable problème aux opérateurs de réseaux mobiles. Ceci donna ainsi naissance aux réseaux mobiles 4G. Elle est caractérisée par une mobilité accrue, des services di- versifiés et des débits plus élevés [8].Elle projette des débits théoriques de 100 Mbps pour une mobilité forte et jusqu’à 1 Gbps pour une faible mobilité. Les principales normes 4G sont le LTE et le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Des améliorations sont en cours donnant ainsi la norme LTE-Advanced qui prévoit atteindre un débit maximum de 1 Gbps en lien descendant et la moitié en lien montant [6].

Le tableau 1.1 présente une comparaison des différentes technologies de radiocommunications [8] :

TABLEAU 1.1 – Comparaison des technologies GSM, UMTS Release 99, HSPA et HSPA+ release 8 [UMTS FORUM, 2010]

GSM/GPRS/EDGE UMTS Release 99 HSPA HSPA+ release 8

Débit maximal UL 118 Kbit/s 384 Kbit/s 5,8 Mbit/s 11,5 Mbit/s

Débit maximal DL 236 Kbit/s 384 Kbit/s 14,4 Mbit/s 42 Mbit/s

Latence 300ms 250 ms 70 ms 30 ms

Largeur de canal 200 KHz 5 MHz 5 MHz 5 MHz

Techniques d’accès FDMA/TDMA CDMA CDMA/TDMA CDMA/TDMA

multiples

Modulation DL GMSK QPSK QPSK, 16QAM QPSK, 16QAM, 64QAM

Modulation UL 8PSK BPSK BPSK, QPSK BPSK, QPSK, 16QAM

Bande de fréquences 900/1800 900/2100 900/2100 900/2100

usuelles

Dans le cadre de ce mémoire, la technologie LTE sera considérée pour faire une extension du réseau 3G. Ce choix est justifié par le fait que plusieurs entreprises opérant en télécommunica- tions, comme Bénin Télécoms Services se tournent de plus en plus vers cette technologie qui offre une variété d’options pour améliorer les capacités de leur réseau.

(22)

1.2. LE LONG TERM EVOLUTION (LTE)

1.2 Le Long Term Evolution (LTE)

La norme LTE, définie par le consortium 3GPP (3rd Generation Partnership Project), a d’abord été considérée comme une norme de troisième génération " 3.9G " (car plus proche de la 4G), spé- cifiée dans le cadre des technologies IMT-2000, car dans les « versions 8 et 9 » de la norme, elle ne satisfaisait pas toutes les spécifications techniques imposées pour les normes 4G de l’Union Internationale des Télécommunications. La norme LTE n’est pas figée, le consortium 3GPP l’a fait évoluer en permanence. En octobre 2010, l’UIT (Union Internationale des Télécommunications) a accordé aux normes LTE et WiMAX (définies avant les spécifications «IMT-Advanced¹» et qui ne satisfaisaient pas complètement à ses pré-requis), la possibilité commerciale d’être considé- rées comme des technologies « 4G ». Ceci du fait du niveau substantiel d’amélioration des performances comparées à celles des premiers systèmes " 3G ". Les réseaux mobiles LTE sont mainte- nant commercialisés sous l’appellation " 4G " par les opérateurs de nombreux pays [9].

À l’instar de chaque nouvelle génération de réseau d’accès, le LTE a pour objectif de propo- ser une capacité accrue et fait appel à une nouvelle technique d’accès à la ressource fréquentielle.

L’objectif majeur du LTE est d’améliorer le support des services de données via une capacité accrue, une augmentation des débits et une réduction de la latence. Aussi les ressources radio se faisant rares, le besoin d’un système ditagile en fréquence, capable de s’adapter à des allocations spectrales variées se fait ressentir. Au-delà des aspects techniques, les enjeux industriels, straté- giques et financiers ont largement contribué à l’avènement du LTE [8].

1.2.1 Normes et exigences du LTE

Dans la définition de la norme LTE, certaines exigences doivent être respectées. Il est important de considérer la capacité des systèmes LTE, le débit, la latence, l’efficacité et la flexibilité spectrale ainsi que la mobilité. Il s’agit de caractéristiques majeures qui font du LTE un système performant.

• La capacité : c’est le nombre maximal d’utilisateurs par cellule qui sont en mesure de se connec- ter simultanément lorsque le réseau est entièrement chargé [10]. Pour avoir une bonne capacité, nous devons avoir une bonne efficacité spectrale. Le problème se pose lorsque plusieurs utilisateurs se connectent au réseau en même temps, donc la vitesse (bit/s) vient à être réduite et parta- gée entre tous les autres utilisateurs. Par conséquent, la vitesse pour un seul utilisateur peut être affectée à l’efficacité spectrale, divisée en nombre d’utilisateurs actifs[10].

Il est attendu qu’au moins 200 utilisateurs simultanés par cellule soient acceptés à l’état actif pour une largeur de bande de5 MHz, et au moins 400 utilisateurspour des largeurs de bande supérieures [8].

1. International Mobile Telecommunications-Advanced

(23)

• Les Débits : Les objectifs de débit maximal définis pour le LTE sont les suivants :

-100 Mbit/sen voie descendante pour une largeur de bande allouée de20 MHz, soit une efficacité spectrale crête de 5 bit/s/Hz ;

- 50 Mbit/sen voie montante pour une largeur de bande allouée de20 MHz, soit une efficacité spectrale crête de 2,5 bit/s/Hz [8].

• La latence : La latence en LTE est le retard généré et causé par le système. Il existe deux types de latence :

- La latence du plan contrôle : est le temps nécessaire pour la connexion et l’accès au réseau.

L’objectif fixé pour le LTE est d’améliorer la latence du plan de contrôle par rapport à l’UMTS, via un temps de transition inférieur à100 msentre un état de veille de l’UE et un état actif autorisant l’établissement du plan usager.

- La latence du plan utilisateur : représente le temps nécessaire pour transmettre les paquets de données juste après la connexion. Le LTE vise une latence du plan usager inférieure à5 msdans des conditions de faible charge du réseau et pour des paquets IP de petite taille [8].

• L’agilité en fréquence : le LTE doit assurer une utilisation flexible du spectre grâce à des largeurs de bande modulables/extensibles de1,4 MHz,3 MHz,5 MHz,10 MHz,15 MHzet20 MHz. Cette flexibilité est effective grâce aux procédures duplex FDD et TDD [8].

• La mobilité : La mobilité est une fonction clé pour un réseau mobile. Le LTE vise à rester fonc- tionnel pour des UE se déplaçant à des vitesses élevées(jusqu’à 350 km/h, et même 500 km/h en fonction de la bande de fréquences), tout en étant optimisé pour des vitesses de l’UE faibles (entre 0 et 15 km/h).

Comme autres exigences, on peut énumérer :

- Intégration d’antennes intelligentes MIMO (Multiple Input Multiple Output) dans la norme - Faibles coûts de transmission par bit pour l’interface aérienne

- Architecture simple, modulable, éléments de réseau moins nombreux, interfaces ouvertes - Consommation d’énergie aussi faible que possible des appareils utilisateurs (grande autonomie) [11].

1.2.2 Architecture

Les réseaux 4G présentent la même architecture générale que les autres types de réseaux mobiles. On peut distinguer trois parties à savoir les terminaux des utilisateurs, le réseau d’accès et le réseau cœur.

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1.2.2.1 Terminaux des utilisateurs : UE

Les terminaux des utilisateurs sont les appareils utilisés par les clients. Ils comprennent les appareils fixes, mobiles et portables et permettent aux utilisateurs d’accéder aux services auxquels ils ont souscrit. Ces terminaux peuvent être tout appareil disposant du protocole IP tel qu’un or- dinateur, un téléphone intelligent ou une télévision IP.

1.2.2.2 Réseaux d’accès : E-UTRAN

Le réseau d’accès LTE est constitué d’un nœud unique l’Evolved Node B ou eNode B. Il re- groupe en une entité unique les fonctionnalités des nœuds Node B et RNC de l’UMTS. La prin- cipale fonction de l’eNode B (Evolved Node B) est d’acheminer les flux de données de l’UE (User Equipment) vers l’EPC (Evolved Packet Core Network) au moyen des fonctions comme la RRM (Radio Ressource Management) et le CAC (Call Admission Control). Cette opération est réalisée en utilisant l’interface S1 qui relie l’E-UTRAN aux composantes de l’EPC. L’E-UTRAN dispose d’une nouvelle interface X2 unique au réseau LTE [12]. Cette interface a pour principal rôle de réaliser des échanges de données et de signaux de connexion avec des liaisons en fibres optiques et des liens IP entre différents E-UTRAN.

FIGURE1.1 – Architecture détaillée d’un réseau LTE

L’eNode B est l’équivalent de la BTS (Base Transceiver station) dans le réseau GSM et NodeB dans l’UMTS. Et la fonctionnalité de handover est plus robuste en LTE. Ce sont des antennes qui relient les UE avec le réseau cœur du LTE via les RF air interface. La fonctionnalité du contrôleur radio réside dans l’eNodeB, le résultat est plus efficace et le réseau est moins latent. Par exemple la mobilité est déterminée par l’eNodeB à la place de la BSC (Base station Controller) ou de la RNC (Radio Network Controller) [7].

(25)

1.2.2.3 Réseau cœur : EPC

Connu aussi sous le nom de System Architecture Evolution (SAE), l’EPC représente le réseau cœur de LTE. Il utilise des technologies « tout-IP », c’est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation qui permet des temps de latence réduits, le transport de la voix et des don- nées. Il assure la gestion des utilisateurs, la gestion de la mobilité, la gestion de la qualité de service et la gestion de la sécurité, au moyen des équipements tels que le MME, le SGW, le P-GW et le PCRF, comme indiqué sur la Figure 1.2 [12].

FIGURE1.2 – Architecture détaillée d’un réseau LTE [13]

Le cœur réseau est composé de deux parties séparées :

- La partie signalisation Elle gère la mobilité et le rattachement des abonnés sur le réseau à travers le MME (Mobility Management Entity) puis la base de données permettant entre autre d’au- thentifier l’abonné, de consulter son abonnement et de chiffrer les communications, via le HSS (Home Subscriber Server). Elle gère aussi l’accès au réseau de données (PDN) en fonction du for- fait de l’abonné selon une politique de tarification à partir du PCRF (Policy and Charging Rules Function).

• MME (Mobility Management Entity (3GPP Release 8)) : Il comporte les fonctionnalités de base de la signalisation dans la connexion du terminal mobile au réseau. Il fournit les informations nécessaires à l’identification de l’usager au moment de son authentification dans le système, en se servant des informations provenant du HSS. Grâce à des fonctions du plan de contrôle, il fait la gestion des sessions des utilisateurs authentifiés. Il est responsable des fonctions de gestion de la mobilité telles que la coordination de la signalisation pour les relèves inter-SGW, et négocie la

(26)

qualité de service à offrir. Le MME est responsable de la diffusion des messages de paging quand l’UE est dans l’incapacité de recevoir les paquets qui lui sont destinés. Il fait la mise à jour des paramètres de localisation de l’UE se retrouvant dans une zone qui n’est pas prise en charge par le MME. Il joue un rôle clé dans la relève entre les différentes technologies, en sélectionnant le nœud qui va mettre en place la porteuse, le default bearer, afin d’établir la communication entre les deux architectures [12].

• SGW (Serving Gateway (3GPP Release 8)) : défini pour gérer les "données utilisateur", il est impliqué dans le routage et la transmission de paquets de données entre les Evolved Universal Terrestrial Access Network (E-UTRAN) et le réseau cœur. L’échange des paquets est acheminé par le SGW au PDN-GW par l’interface S5. Le SGW est connecté à l’ E-UTRAN via l’interface S1-U qui sert de relai entre l’utilisateur et l’EPC. Il opère comme une ancre locale qui sert pour la mobilité inter-eNode B et permet de faire la relève entre les systèmes mobiles de différentes générations, comme LTE et UMTS [12].

• P-GW (Packet-Switch GetWay) : c’est le nœud qui relie l’utilisateur mobile aux autres ré- seaux PDN, tels que les réseaux IP, PSTN et non-3GPP. L’accès aux réseaux IP et PSTN se fait par l’intermédiaire de l’IMS. Le PDN Gateway agit comme un routeur par défaut par lequel transitent les requêtes de l’utilisateur. Il effectue l’allocation d’adresses IP pour chaque Terminal Mobile, le filtrage des paquets pour chaque usager, et comptabilise les octets échangés dans la session de ce dernier à des fins de facturation [12].

• HSS (Home Suscriber Service) : il se présente comme une version évoluée du HLR. Il permet de stocker des informations d’abonnement pouvant servir au contrôle des appels et à la gestion de session des utilisateurs réalisée par le MME. Il entrepose, pour l’identification des utilisateurs, la numérotation et le profil des services auxquels ils sont abonnés. En plus des données d’authentification des utilisateurs, il contient les informations de souscription pour les autres ré- seaux, comme le GSM, le GPRS, la 3G, le LTE et l’IMS (IP Multimedia Subsystem) [12].

• PCRF (Policy and Charging Rules Function (3GPP Release7)) : c’est une entité qui exécute principalement deux grandes tâches. La première est de gérer la qualité de service que requiert le réseau, et alloue en conséquence les porteuses bearer appropriées. La deuxième tâche se rapporte principalement à la tarification. En effet, le PCRF gère les politiques de facturation qui doivent être prises en compte par le PDN-GW et applicables en fonction des actions de l’utilisateur [12].

- La partie IMS (IP Multimedia Sub-system) : c’est une architecture appliquée dans les réseaux mobiles qui permettent aux opérateurs de télécommunications d’offrir des services sur IP à valeur ajoutée. Cette nouvelle architecture permet d’établir des sessions multimédia indépendamment du type d’accès à Internet utilisé. Cette architecture est aussi capable de supporter, sur un réseau

(27)

tout IP dans une même session, des applications en temps réel telles que la voix et la vidéo ; et des applications non temps réel telles que le Push to Talk et la messagerie instantanée [12].

1.2.3 Bandes de fréquences allouées

Le spectre est une ressource rare. D’un point de vue fréquentiel, le déploiement du LTE peut ainsi se concevoir de deux manières :

• déploiement sur une bande de fréquences déjà allouée à un système 2G ou 3G ;

• déploiement sur de nouvelles bandes de fréquences

Le spectre FDD (Frequency Division Duplex) nécessite des paires de bandes, l’une en liaison montante et l’autre en liaison descendante. Le spectre TDD (Time Division Duplex) nécessite une bande unique car la liaison montante et la liaison descendante sont sur la même fréquence mais séparées dans le temps. En conséquence, il existe deux types d’allocations de bande LTE : TDD et FDD. Dans certains cas, ces bandes peuvent se chevaucher et il est donc possible, bien que peu probable, que les transmissions TDD et FDD puissent être présentes sur une bande de fréquences LTE particulière. A partir du release 10, Les spécifications LTE présentent 34 bandes de fréquence, 23 bandes FDD et 11 bandes TDD [14] (Tableau 1.2).

TABLEAU1.2 – Bandes de fréquences exploitées en LTE [14]

Bandes UL Bandes DL

Bande E-UTRA Réception BS Emission BS Mode duplex

Emission BS Réception BS F_{UL,mi n}−F_UL,max F_{DL,mi n}−F_DL,max

1 1920 MHz - 1980 MHz 2110 MHz - 2170 MHz FDD

9 1749.9 MHz - 1784.9 MHz 1844.9 MHz - 1879.9 MHz FDD

11 1427.9 MHz - 1447.9 MHz 1475.9 MHz - 1495.9 MHz FDD

15 Reserved Reserved FDD

(28)

1.3. DESCRIPTION DE LA COUCHE PHYSIQUE LTE

16 Reserved Reserved FDD

20 832 MHz - 862 MHz 1495.9 MHz - 1510.9 MHz FDD

21 1447.9 MHz - 1662.9 MHz 1495.9 MHz - 1510.9 MHz FDD 24 1626.5 MHz - 1660.5 MHz 1525 MHz - 1559 MHz FDD

...

33 1900 MHz - 1920 MHz 1900 MHz - 1920 MHz TDD

Note 1 : La bande 6 n’est pas applicable

1.3 Description de la couche physique LTE

Avant de nous concentrer sur la couche physique LTE, il est judicieux de connaître les diffé- rentes couches LTE ainsi que leur comportements pour mieux appréhender le fonctionnement de la couche physique.

Dans la technologie LTE, il existe trois grandes couches :

Couche 1 : couche physique Elle contient toutes les informations provenant des canaux de transport MAC sur l’interface air. Elle prend en charge la fonction de codage / décodage, modulation / démodulation et le mapping de ressources.

Couche 2 Elle comprend trois (03) sous couches :

Packet data Convergence Protocol (PDCP) : cette sous-couche a pour but de réduire le nombre de bits à transmettre, et de réaliser la compression et la décompression d’en-têtes des données IP, du transfert de données (plan utilisateur ou plan de contrôle).

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Radio Link Control (RLC) :responsable de la segmentation, la concaténation et la retrans- mission.

Medium Access control (MAC) :responsable de l’ordonnancement (scheduling) en liaison Uplink / downlink, retransmissions des Hybrid-ARQ, choix de la modulation et l’assigne- ment de ressource.

Couche 3 LeRadio Resource Control (RRC) : responsable de la diffusion d’informations Sys- tème, configuration des sous-couches RLC, MAC et PDCP, des fonctions de mobilités, et des fonctions de gestion de QoS.

FIGURE1.3 – Architecture des protocoles LTE autour de la couche physique [15]

Pour le travail que nous voulons effectuer, nous allons nous limiter qu’à l’étude de la couche physique. En effet, La couche physique LTE est la première et la plus basse couche de système d’exploitation informatique. Cela s’appelle souvent la couche LTE PHY. Le fonctionnement fon- damental de cette couche est de prendre en charge l’implémentation matérielle de la norme LTE.

Cette couche ne gère que les flux de bits et la nature logique des paquets n’est pas pertinente. En LTE, les bits sont stockés dans des symboles et des slots puis transmis par des trames sur la liaison RF.

La compréhension détaillée de la couche physique LTE implique la compréhension de la structure de trame générique LTE pour supporter les FDD et TDD.

1.3.1 Structure de trame et sous-trame

Afin que le système LTE puisse maintenir la synchronisation et soit capable de gérer les diffé- rents types d’informations qui doivent être transportées entre l’e-NodeB et l’UE, une structure de trame et de sous-trame a été définie pour l’E-UTRAN. Les structures de trame pour le LTE diffèrent entre les modes TDD et FDD, car il y a des exigences différentes sur la séparation des données transmises. Il existe deux types de trames LTE :

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- Type 1 : utilisé par les systèmes opérant en mode LTE FDD - Type 2 : utilisé par les systèmes opérant en mode LTE TDD 1.3.1.1 La trame LTE de type 1

La trame de type 1 a une longueur totale de 10 ms. Celle-ci est ensuite divisée en un total de 20 slots individuels. La sous-trame se compose de deux slots, en d’autres termes, il y a dix sous-trames LTE au sein d’une trame.

FIGURE1.4 – Structure de trame LTE Type 1 [16]

1.3.1.2 La trame LTE de type 2

La structure de la trame de type 2 utilisée dans le LTE TDD est peu différente. Les 10 ms de la trame se composent en deux demi-trames, chacune de 5 ms. Les demi-trames sont divisées en cinq sous-trames, chacune dure 1 ms.

FIGURE1.5 – Structure de trame LTE Type 2 [16]

(31)

Les sous-trames peuvent être divisées en sous-trames de types sous-trames spéciales. Les sous- trames spéciales sont composées de trois champs :

• DwPTS: Downlink Pilot Time slot, elle est utilisée pour la synchronisation download

• GP: Guard Period, Il assure la transmission de l’UE sans avoir des interférences entre UL et DL

• UpPTS : Uplink Pilot Time Slot, Il est utilisé par l’e-NodeB pour déterminer le niveau de puissance reçu et la durée de la puissance de l’UE.

1.3.2 Blocs de ressources

L’unité de base attribuée à un abonné est le« Resource Block (RB) ». ChaqueRB(bloc de ressources radio) est constitué de 12 sous-porteuses de 15 KHz de largeur. Chaque sous-porteuse comporte 7 symboles temporels pour une durée totale de 0,5 ms. Un bloc élémentaire en LTE utilise donc un spectre de 12×15kHz= 180 kHz. Le nombre de symboles dépend du préfixe cyclique (CP) utilisé. Lorsqu’un CP normal est utilisé, le bloc de ressources contient 7 symboles. Lorsqu’un CP étendu est utilisé, le bloc de ressources contient six symboles. Une propagation de délai qui dépasse la longueur normale du CP indique l’utilisation de CP étendu [16].

Le LTE est scalable, il permet d’exploiter des largeurs de bande de 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz. Le nombre de ressources blocs dépend donc de la largeur de bande du canal.

TABLEAU1.3 – Configuration des largeurs de bande de transmission [16]

Largeur de bande Nombre maximum de Largeur de bande (MHz) blocs de ressources maximale occupée

(MHz)

1.4 6 1.08

3 15 2.7

5 25 4.5

10 50 9.0

15 75 13.5

20 100 18.0

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Un (01) symbole peut transmette 1 à 6 bits selon la modulation choisie (BPSK à 64-QAM). Une trame LTE dure 10 ms. Elle est découpée en 10 sous trames d’une durée de 1 ms. Chaque sous- trame est divisée en deux slots de 0,5 ms. Un slot dure donc 0,5 ms, durée pendant laquelle sont transmis 7 symboles par bande OFDM. Or, nous avons vu qu’il y avait 12 bandes. Par conséquent, 7s ymbol es×12band es= 84 symboles sont transmis en 0,5 ms

Si l’opérateur a une bande de :

•15 MHz: Il possède 75 RB, il peut donc transmettre 75×84s ymbol es×6bi t sen 0,5 ms. Autrement dit, 37800 bits sont transmis en 0,5 ms. Le débit s’exprime en bit par seconde dont 37800/0.0005 = 75,6 Mbits/s

•20 MHz: Il possède 100 RB, il peut donc transmettre 100×84s ymbol es×6bi t s transmis en 0,5 ms. Autrement dit, 50400 bits sont transmis en 0,5 ms. Le débit s’exprime en bit par seconde dont 50400/0.0005 = 100,8 Mbits/s

FIGURE1.6 – Schéma de bloc de ressources [16]

1.3.3 Schémas duplex FDD et TDD

Pour que les systèmes de communications radio puissent être en mesure de communiquer dans les deux directions, il est nécessaire d’avoir ce qu’on appelle un schéma duplex. Un système duplex offre une façon d’organiser l’émetteur et le récepteur de sorte qu’ils puissent transmettre et recevoir.

Il existe plusieurs méthodes qui peuvent être adoptées. Pour les applications y compris les communications sans fil et cellulaires, où il est exigé que l’émetteur et le récepteur soient en mesure de

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fonctionner simultanément, deux schémas sont possibles. L’un appelé FDD ou frequency division duplex utilisant deux canaux, l’un pour l’émission et l’autre pour la réception. L’autre schéma est connu sous le nom de TDD, time division duplex utilisant une seule fréquence, mais attribue des times slots différents pour l’émission et la réception.

FIGURE1.7 – FDD et TDD [17]

1.3.3.1 Frequency-division Duplex (FDD)

Dans le cas du FDD, nous avons deux fréquences porteuses (paire de bandes), une pour la transmission en liaison montante et une pour la transmission en liaison descendante. Elles sont séparées par une bande de garde de taille suffisante pour éviter les interférences. Cette séparation en fréquence des voies montante et descendante permet aux UE et stations de base d’émettre et de recevoir simultanément [17].

Il existe une variante du mode FDD, appelée FDD half-duplex. Dans ce mode, les UE ne peuvent émettre et recevoir simultanément. Une manière simple de mettre en œuvre le mode FDD half- duplex est de diviser les UE en deux groupes, chaque groupe émettant lorsque les UE du deuxième groupe reçoivent, et inversement. Ce mode n’a pas été utilisé jusqu’à présent pour les systèmes radio mobiles, vraisemblablement en raison de la complexité d’implémentation à la station de base d’un ordonnanceur adapté, et de la réduction du débit maximal qu’il entraîne pour les UE [8].

1.3.3.2 Time-division Duplex (TDD)

En mode TDD, les voies montante et descendante utilisent la même fréquence porteuse, et les transmissions en liaison montante et descendante sont séparées dans le domaine temporel. Cer- tains intervalles de temps de transmission sont réservés à la voie montante, tandis que les autres

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sont réservés à la voie descendante. Un temps de garde est nécessaire aux changements de direc- tion de transmission, notamment pour laisser aux équipements le temps de basculer d’émission à la réception[8]. Ce basculement prend un petit temps dans lequel aucune donnée ne peut être transférée dans les deux sens.

Pour cette période d’accommodement, il existe une trame spéciale définie dans la trame radio TDD. Cette trame spéciale s’occupe du retard de propagation dans les deux directions (Uplink et Downlink) [5].

1.3.4 Différents canaux LTE

Afin que les données puissent être transportées à travers l’interface radio LTE, différents ‘’canaux” sont utilisés. Ils sont utilisés pour séparer les différents types de données et leur permettre d’être transportées à travers le réseau d’accès radio d’une façon ordonnée.

En effet, les différents canaux fournissent des interfaces vers les couches supérieures dans la structure de protocoles LTE et permettent une séparation ordonnée et définie des données.

Il y a trois catégories dans lesquelles les canaux de données différents pourraient être groupés.

canaux physiques :ce sont des canaux de transmissions qui transportent les données utilisateur et les messages de contrôle

canaux de transport :les canaux de transport de la couche physique fournissent le transfert des informations au Medium Access Control (MAC) et aux couches supérieures

canaux logiques :fournissent des services au niveau de la couche Medium Access Control (MAC) vers les couches supérieures, dans la structure des protocoles du LTE

1.3.5 Adaptive Modulation and Coding (AMC)

La modulation et le codage adaptatif se réfèrent à la capacité des réseaux à déterminer dyna- miquement le type de modulation et le taux de codage basés sur les conditions actuelles du canal RF rapporté par l’UE lors des mesures. Ceci pour fournir une efficacité spectrale et un débit de données flexible pour les services haut débit mobiles en ajustant les paramètres de transmission en fonction de la qualité de la liaison pour atteindre les limites de capacité des canaux [18].

Les modulations numériques RF utilisées pour transporter les informations sont BPSK, 4-QAM, 16-QAM et 64-QAM. Dans le cas du 4-QAM, il y a quatre états de symboles possibles et chaque symbole porte deux bits d’information. En 16-QAM, il y a 16 états de symboles. Chaque symbole 16-QAM comporte 4 bits. En 64-QAM, il y a 64 états de symbole. Chaque symbole 64-QAM comporte 6 bits. La modulation d’ordre supérieur est plus sensible aux mauvaises conditions de canal que la modulation d’ordre inférieur car le détecteur dans le récepteur doit résoudre des différences plus petites quand les constellations deviennent plus denses.

(35)

FIGURE1.8 – Constellations des différentes modulations

Le codage se réfère à une méthode de correction d’erreur qui ajoute des bits supplémentaires au flux de données qui permettent une correction d’erreur. Spécifiés en fractions, les taux de code spécifient le nombre de bits de données au numérateur et le nombre total de bits au dénomina- teur. Ainsi, si le taux de code est de 1/3, des bits de protection sont ajoutés de sorte qu’un bit de données est envoyé en trois bits [16].

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons montré l’évolution des réseaux mobiles ces dernières années avant de présenter la 4ème génération de réseaux mobiles qui présente de nombreux avantages tant pour les opérateurs que pour les utilisateurs finaux.

Dans le chapitre suivant, nous allons parler des techniques d’accès permettant de gérer la couche physique.

(36)

Chapitre 2

Techniques d’accès LTE : OFDMA et SC-FDMA

Contenu

2.1 OFDM . . . 23 2.1.1 Caractéristiques du canal . . . 23 2.1.2 Notion d’orthogonalité . . . 24 2.1.3 Préservation de l’orthogonalité (Intervalle de garde) . . . 25 2.2 OFDMA . . . 27 2.2.1 Accès multiple . . . 27 2.2.2 Insertion du préfixe cyclique . . . 27 2.2.3 Utilisation efficiente du domaine fréquentiel . . . 28 2.3 SC-FDMA . . . 29 2.3.1 Allocation de ressources . . . 30 2.3.2 Signaux de références : pilotes . . . 30 2.3.3 Mapping de sous-porteuses . . . 31

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2.1. OFDM

Introduction

La technologie 4G LTE est basée sur les techniques OFDMA pour la liaison descendante et SC-FDMA pour la liaison montante. Pour mieux comprendre ces deux différentes techniques, il serait bien d’avoir un aperçu de la technique OFDM dont elles sont les dérivées. Ensuite, nous présenterons les différentes techniques dans les détails.

2.1 OFDM

Transmettre un train numérique par voie hertzienne n’est pas une mince affaire et c’est la raison pour laquelle c’est la technologie qui a demandé le plus de temps pour émerger.

2.1.1 Caractéristiques du canal

Le canal est caractérisé par plusieurs phénomènes physiques :

• La réflexion du signal sur un obstacle.

• La réfraction du signal lorsque celui-ci traverse un milieu d’indice différent de celui d’où il provient.

• La diffraction due à un obstacle.

Tous ces phénomènes physiques entraînent des échos (propagation par trajets multiples due à la présence d’obstacles) pouvant engendrer des évanouissements (fading) qui sont des « trous de transmission » résultant de l’annulation du signal à un instant pour une fréquence donnée. Par conséquent, lorsqu’on est en réception fixe ou mobile, la probabilité de recevoir uniquement une onde directe provenant d’un émetteur est très faible. On va donc recevoir le signal émis par l’émet- teur ainsi qu’une multitude de signaux atténués et retardés provenant des différents échos.

FIGURE2.1 – Environnement multi-trajets [19]

(38)

2.1. OFDM

Les informations susceptibles d’être acheminées par une porteuse unique sont dès lors limi- tées en cas de trajets multiples. Si une porteuse ne peut transporter le débit de symboles néces- saire, on arrive tout naturellement à diviser ce débit de données élevé en plusieurs flux parallèles de débit moins élevé, acheminés chacun par sa propre porteuse. Leur nombre peut être élevé. Il s’agit d’une forme de MRF (Multiplex par répartition en fréquence), première étape vers l’OFDM.

Un très grand débit impose une grande bande passante, et si cette bande couvre une partie du spectre comportant des creux, il y a perte totale de l’information pour la fréquence correspon- dante. Le canal est dit alors sélectif en fréquence. Pour remédier à ce désagrément, l’idée est de répartir l’information sur un grand nombre de porteuses, créant ainsi des sous-canaux très étroits pour lesquels la réponse fréquentielle du canal peut être considérée comme constante. Ainsi, pour ces canaux, le canal est non sélectif en fréquence, et s’il y a un creux, il n’affectera que certaines fréquences, qui pourront être récupérées grâce à un codage convolutif. On utilise des porteuses orthogonales qui présentent l’avantage de pouvoir retrouver leur phase et amplitude indépen- damment les unes des autres [20].

2.1.2 Notion d’orthogonalité

La différence fondamentale entre les différentes techniques classiques de modulation multi- porteuses et l’OFDM est que cette dernière autorise un fort recouvrement spectral entre les sous- porteuses, ce qui permet d’augmenter sensiblement leur nombre ou d’amoindrir l’encombrement spectral. Cependant, pour que ce recouvrement n’ait pas d’effet néfaste, les porteuses doivent res- pecter une contrainte d’orthogonalité, à la fois dans les domaines temporel et fréquentiel. L’utilisation d’un très grand nombre de porteuses est une perspective presque effrayante : il faut sûre- ment beaucoup de modulateurs / démodulateurs et de filtres. Il faut aussi davantage de largeur de bande. Il est heureusement simple de résoudre ces deux problèmes en spécifiant un espacement rigoureusement régulier def_u= 1/T_uentre les sous-porteuses, où T_uest la période (utile ou active) du symbole pendant laquelle le récepteur intègre le signal démodulé.

FIGURE2.2 – N sous-porteuses orthogonales pour un système OFDM

(39)

2.1. OFDM

En considérant tout d’abord le signal OFDM comme un simple multiplexage en fréquence, la sous-porteuse k (en bande de base) peut s’écrire sous la forme :Ψ_k(t) =e^{j k}^ω^t

avecω=^2π_T

u

Les porteuses doivent satisfaire la condition d’orthogonalité Z _τ+T

τ Ψ_k(t)Ψ^∗_k(t)dt= 0 ,k 6= 1 (2.1) Z _τ+T

τ Ψ_k(t)Ψ^∗_k(t)dt= T_u,k = 1 (2.2) Donc, cette contrainte est une condition d’orthogonalité pour les fonctionsΨ_k(t) etΨ^∗_k(t) qui forment une base orthogonale de l’espace temps-fréquence. Ce qui permet de retrouver facile- ment les symboles et autorise donc un recouvrement spectral sans perte de l’information [20].

2.1.3 Préservation de l’orthogonalité (Intervalle de garde)

Une même suite de symboles arrivant à un récepteur par deux chemins différents se présente comme une même information arrivant à deux instants différents, elles vont donc s’additionner provoquant ainsi les deux types de défauts suivants :

• L’interférence intra symbole :addition d’un symbole avec lui-même légèrement déphasé.

• L’interférence inter symbole :addition d’un symbole avec le suivant plus le précédant légè- rement déphasé.

Entre chaque symbole transmis, on insère une zone "morte" appelée intervalle de garde. De plus, la durée utile d’un symbole sera choisie suffisamment grande par rapport à l’étalement des échos. Ces deux précautions vont limiter l’interférence inter symbole. La durée Tu pendant laquelle est émise l’information diffère de la période symbole Ts car il faut prendre en compte, entre deux périodes utiles, un "temps de garde" Tg qui a pour but d’éliminer l’ISI qui subsiste malgré l’orthogonalité des porteuses. Pour que cet intervalle de garde soit efficace, sa durée doit être au moins égale à l’écho non négligeable le plus long (celui qui a le retard maximal). Entre la période du symbole, la période utile et l’intervalle de garde s’instaure donc la relation : Ts = Tu + Tg

Le temps de garde, s’il peut être un intervalle de garde "blanc" pendant lequel on n’émet rien, est plus généralement une copie de la fin de la trame OFDM. Si cette méthode est efficace pour lutter contre l’ISI, elle pénalise cependant sensiblement le débit de transmission, et certains systèmes OFDM profitent des progrès dans le domaine de l’égalisation pour s’en affranchir.

Toutes les porteuses étant cycliques à l’intérieur de Tu, il en va de même pour l’ensemble du signal modulé. Le segment ajouté au début du symbole pour former l’intervalle de garde est donc identique au segment de même longueur à la fin du symbole. Tant que le retard d’un trajet par rapport au trajet principal (le plus court trajet) est inférieur à l’intervalle de garde, les composantes

(40)

2.1. OFDM

FIGURE2.3 – Intervalle de garde (préfixe cyclique) [20]

du signal à l’intérieur de la période d’intégration viennent toutes du même symbole : Le critère d’orthogonalité est satisfait. Les brouillages ICI¹ et ISI² ne se produisent que lorsque le retard relatif est plus long que l’intervalle de garde.

FIGURE2.4 – Intégration du signal avec intervalle de garde [20]

Le fait de transmettre sur N porteuses orthogonales augmente bien évidemment la résistance de l’OFDM aux parasites, brouilleurs et autres perturbations, et c’est d’autant plus vrai que ce nombre N est en pratique assez élevé. D’autre part, la présence de l’intervalle de garde permet d’éviter les interférences entre symboles qui pourraient provoquer des pertes d’information.

Même si une partie du signal a été fortement endommagée par les perturbations dues au canal, on se rend compte que seules certaines fréquences en ont pâti, mais que globalement l’information est quand même parvenue jusqu’au récepteur [20].

1. Inter Code Interference 2. Inter Symbol Interference

(41)

2.2. OFDMA

2.2 OFDMA

L’OFDMA est un type de multiplexage par division de fréquence (FDM) dans lequel la bande de fréquence disponible est divisée en nombre de sous-porteuses de fréquence orthogonale. Les données sont d’abord converties en flux de bits parallèles, puis elles sont modulées sur chaque sous-porteuse en utilisant des schémas de modulation classiques. L’OFDMA permet un faible dé- bit de données de nombreux utilisateurs et a un délai plus court et constant. Il existe une flexi- bilité dans le déploiement dans différentes bandes de fréquences. L’effet de trajets multiples est réduit en utilisant l’OFDMA car les données de chaque utilisateur sont modulées sur plusieurs fréquences orthogonales plutôt que sur une fréquence fixe pour toute la période de connexion.

De plus, l’OFDMA facilite non seulement le partage des capacités de la bande passante disponible, mais aussi augmente la capacité de chaque utilisateur en raison de l’utilisation de plusieurs fréquences.

La différence entre l’OFDM et l’OFDMA est que cette dernière a la capacité d’affecter dynami- quement un sous-ensemble de ces sous-porteuses à des utilisateurs individuels, ce qui en fait la version multi-utilisateurs d’OFDM, en utilisant l’accès multiple par répartition temporelle (TDMA) (intervalle de temps séparé) ou l’accès multiple par division de fréquence (FDMA) (canaux sépa- rés) pour plusieurs utilisateurs. L’OFDMA supporte simultanément plusieurs utilisateurs en leur attribuant des sous canaux spécifiques pour des intervalles de temps. Les systèmes point à point sont OFDM et ne supportent pas l’OFDMA. Les systèmes fixe et mobile point à multipoints utilisent l’OFDMA [21].

2.2.1 Accès multiple

L’OFDMA permet et est optimisé pour l’accès multiple, c’est-à-dire le partage de la ressource spectrale (bande de fréquence) entre de nombreux utilisateurs distants les uns des autres. L’OFDMA attribue un groupe de sous-porteuses à chaque utilisateur. Les sous-porteuses font partie du grand nombre de sous-porteuses utilisé pour implémenter l’OFDM en LTE. Les données peuvent être de la voix, de la vidéo ou autre chose, et elles sont assemblées en segments de temps qui sont ensuite transmis sur certaines sous-porteuses assignées.

Pour implémenter l’OFDMA, chaque utilisateur reçoit un groupe de sous-canaux et de time slot relatifs. Le plus petit groupe de sous-canaux attribués est 12 et appelé bloc de ressource (RB). Le système attribue le nombre de RB à chacun au besoin.

2.2.2 Insertion du préfixe cyclique

Le préfixe cyclique représente une période de garde au début de tous les symboles OFDMA qui protègent contre les trajets-multiples. La durée du préfixe cyclique doit être plus grande que le délai d’une propagation de multi-trajets.

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2.2. OFDMA

A l’émission Le signal émis est une onde sinusoïdale, dont l’amplitude et la phase changent d’un symbole à un autre. Comme indiqué précédemment, chaque symbole contient un nombre exact de cycles de l’onde sinusoïdale, de sorte que l’amplitude et la phase au début de chaque symbole soient égales à l’amplitude et la phase à la fin. À cause de cela, le signal émis change en douceur quand nous passons de chaque préfixe cyclique au symbole suivant.

A la réception Dans un environnement multi-trajets, le récepteur récupère plusieurs copies du signal émis avec plusieurs temps d’arrivée. Celles-ci s’ajoutent à l’antenne de réception, donnant une onde sinusoïdale avec la même fréquence mais d’amplitude et de phase différentes.

Le signal reçu change toujours en douceur lors de la transition d’un préfixe cyclique au symbole qui suit. Il y a quelques problèmes, mais ce ne sont qu’au début du préfixe cyclique et à la fin du symbole, où les symboles précédents et suivants commencent à interférer. Le récepteur traite le signal reçu dans une fenêtre dont la longueur est égale à la durée du symbole et se débarrasse du reste. Si la fenêtre est correctement placée, le signal reçu est exactement ce qui a été émis, sans aucun défaut et soumis uniquement à une variation d’amplitude et à un déphasage. Mais le ré- cepteur peut les compenser en utilisant les techniques d’estimation et d’égalisation des canaux . Certes, le système utilise plusieurs sous-porteuses, mais elles n’interfèrent pas et peuvent être traitées de manière indépendante, de sorte que l’existence de plusieurs sous-porteuses n’affecte pas cet argument [22].

Le LTE spécifie les longueurs de préfixe cycliques normales et étendues. Le préfixe cyclique normal est destiné à être suffisant pour la majorité des scénarios, tandis que le préfixe cyclique étendu est destiné à des scénarios avec une propagation de délai particulièrement élevée. Les du- rées pour le préfixe cyclique normal et le préfixe cyclique étendu sont présentées dans le tableau 2.1 :

TABLEAU 2.1 – Comparaison des technologies GSM, UMTS Release 99, HSPA et HSPA+ release 8 [UMTS FORUM, 2010]

Préfixe cyclique normal Préfixe cyclique étendu

Sous-porteuses de 15 KHz Sous-porteuses de 15 KHz Sous-porteuses de 7.5 KHz

160 Ts 144 Ts 512 Ts 1024 Ts

Durée 5.2µs 4.7µs 16.7µs 33.3µs

Distance équivalente 1.6 km 1.4 km 5 km 10 km

Limite 160/2048 = 7.8 % 144/2048 = 7.0 % 512/2048 = 25 % 144/4096 = 25 %

2.2.3 Utilisation efficiente du domaine fréquentiel

Dans le FDMA analogique traditionnel, un mobile doit mesurer le signal sur une sous-porteuse en présence des interférences de tous les autres. Ainsi, pour minimiser la quantité d’interférences, les sous-porteuses doivent être séparées par de larges bandes de garde. Le besoin de ces bandes