Les caractéristiques fondamentales du réseau LTE 

Interface S1 

L’interface S1 est divisée en S1-MME et S1-U. S1-MME. Elle connecte les éléments eNodeB et MME, alors que S1-U est utilisée entre l’eNodeB et le S-GW. L’interface S1- MME est conçue pour la signalisation du plan contrôle entre l’eNodeB et le MME, alors que l’interface S1-U est conçue pour transporter les données du plan utilisateur entre l’eNodeB et le S-GW [8].

Les caractéristiques fondamentales du réseau LTE

Débit sur l’interface radio

L’interface radio E-UTRAN doit pouvoir supporter un débit maximum descendant instantané de 100 Mbit/s en considérant une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens descendant et un débit maximum montant instantané de 50 Mbit/s en considérant aussi une allocation de bande de fréquence de 20 MHz. Les technologies utilisées sont OFDMA pour le sens descendant (efficacité du spectre de 5 bit/s/Hz) et SC-FDMA pour le sens montant (efficacité du spectre de 2.5 bit/s/Hz [9].

Latence

Latence plan de contrôle

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 à 100 ms entre un état de veille de l’UE et un état actif autorisant l’établissement du plan usager [8].

Latence plan usager 

La latence du plan usager est définie par le temps de transmission d’un paquet entre la couche IP de l’UE et la couche IP d’un nœud du réseau d’accès ou inversement. En d’autres termes, la latence du plan usager correspond au délai de transmission d’un paquet IP au sein du réseau d’accès. Le LTE vise une latence du plan usager inférieure à 5 ms dans des conditions de faible charge du réseau et pour des paquets IP de petite taille [8] [10].

L’agilité en fréquence

Le LTE doit pouvoir opérer sur des porteuses de différentes largeurs afin de s’adapter à des allocations spectrales variées. Les largeurs de bande initialement requises ont par la suite été modifiées pour devenir les suivantes : 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz dans les sens montant et descendant. Notons que le débit crête est proportionnel à la largeur de bande. Les modes de duplexage FDD et TDD doivent être pris en charge pour toutes ces largeurs de bande [9] [10].

Mobilité

En LTE, le handover pourra s’effectuer dans des conditions où l’usager se déplace à grande vitesse.

Capacité en nombre d’utilisateur simultanés

Le système doit supporter simultanément un large nombre d’utilisateurs par cellule. Il est attendu qu’au moins 200 utilisateurs simultanés par cellule soient acceptés à l’état actif pour une largeur de bande de 5 MHz, et au moins 400 utilisateurs pour des largeurs de bande supérieures [23].

Les technologies utilisées en LTE

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

OFDMA ou Orthogonal Frequency Divison Multiple Access est l’extension classique de l’OFDM. Cette technique est donc utilisée aussi dans la partie descendant (d’e-NodeB vers le terminal mobile). Elle est essentiellement un hybride de FDMA ou AMRF (Frequency Division Multiple Access ou Accès Multiple par Répartition en Fréquence) qui consiste à allouer des bandes de fréquences à différents utilisateurs, à l’image de la transmission radio : chaque radio à sa propre fréquence et de TDMA ou AMRT (Time Division Multiple Access ou Accès Multiple par Répartition dans le Temps) qui est une technique de multiplexage temporelle [3] [4].
Le principe de l’OFDMA est de répartir sur un grand nombre de sous-porteuses le signal numérique que l’on veut transmettre, ce qui permet, pour un même débit global, d’avoir sur chacun des canaux un débit binaire beaucoup plus faible ; le temps d’émission de chaque symbole est ainsi beaucoup plus long (66.7 µs pour le LTE) que s’il n’y avait qu’une seule porteuse [4]. Cela permet de limiter les problèmes d’interférences inter-symboles et de fading (forte atténuation du signal) liés aux chemins multiples de propagation qui existent dans les liaisons radio de moyenne et longue portées car quand le débit binaire sur une porteuse est élevé, l’écho d’un symbole arrivant en retard à cause d’une propagation multi -trajets perturbe le ou les symboles suivants.
En résumé, un avantage significatif de l’OFDMA par rapport à l’OFDM est son potentiel pour réduire la puissance de transmission et d’assouplir le pic, le problème de puissance, la moyenne et le ratio (PAPR ou Peak-to-Average Power Ratio) [1]. Single Carrier Frequency Division Multiple Access 1.6.4.3
En LTE, un concept différent est utilisé en technique d’accès. Bien qu’on utilise encore une forme de technologie OFDMA, l’implémentation est appelée Single Carrier Frequency Division
Multiple Access. Elle offre des performances et une complexité globale similaire à l’OFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage fréquentiel à une seule porteuse. Dans la modulation SC-FDMA, le multiplexage des utilisateurs du système est effectué dans le domaine fréquentiel.
La différence majeure entre ces deux techniques réside dans le fait que l’OFDMA est une technique de transmission multi-porteuse tandis que la SC-FDMA est une technique monoporteuse [11].
La figure 1.09 suivante montre la différence entre la technique OFDMA et la technique SCFDMA.

Le Physical Resource Block

L’unité de transmission en LTE s’appelle un Bloc de ressource, elle occupe un intervalle de temps dans le domaine temporel (0.5ms ), et 12 sous porteuses dans le domaine fréquentiel, chacune occupe 15Khz, ce qui fait qu’un bloc de ressource occupe 180Khz au total, chaque colonne d’un bloc de ressources représente un symbole OFDMA quand il s’agit d’une trame /intervalle de temps pour le lien descendant où un symbole SC -FDMA lorsqu’il s’agit d’une trame/intervalle de temps réservé(e) pour le lien montant ,un bloc de ressource contient 7 symboles si le préfixe cyclique normal est utilisé, 6 symboles si le préfixe cyclique étendu est utilisé, chaque symbole dure environ 71.35μs, l’intersection entre les symboles temporelles et les sous-porteuses donne naissance à ce qui est appelé des éléments de ressources, il s’agit de la plus petite unité de transmission, un élément de ressource contient un symbole modulé en BPSK/QPSK/16-QAM où 64-QAM dépendant de la nature de cette donnée du système [24]. Les spécifications LTE définissent les paramètres de bande passante système à partir de 1,25 MHz à 20 MHz.

Mobilité au sein de la norme LTE

Le mode connecté fait référence à une situation où l’UE a une connexion de signalisation active avec le réseau. La localisation de l’UE est connue avec la précision d’une cellule, et elle ne doit pas être paginée pour être atteinte. La mobilité dans le mode connecté est gérée par un processus de Handover. Cette section commence par l’introduction des types généraux de transfert. Le modèle de mesure utilisé pour fournir l’eNodeB avec les mesures sont discuté ensuite. Après les mesures, les processus de transfert des transferts X2 et S1 sont décrits avec des diagrammes de signalisation complets [14]. La procédure de transfert S1 inter cellulaire est effectuée entre deux eNodeB sans l’interface X2. Le transfert X2 est utilisé lorsque la connectivité directe entre eNodeB source et cible existe. Le transfert X2 est plus rapide.

Mode veille ou mode Idle

Un UE qui est mis sous tension, mais n’a pas une connexion RRC au réseau radio, est défini comme étant en mode veille. Dans le cas de la gestion du mode veille, le e-NodeB envoie des configurations par information du système de diffusion, et par conséquent, sélectionner des cellules appropriées. La gestion du mode veille peut augmenter le taux de réussite de l’accès, améliorer la qualité du service et veiller à ce que les campagnes UE sur les cellules avec une bonne qualité de signal [14].

Sélection PLMN

La première chose que l’UE doit faire est de sélectionner un PLMN. Il analyse toutes les fréquences porteuses E-UTRAN qu’il est capable de recevoir et recherche la cellule la plus forte de chacune d’elles. Il lit ensuite les informations système diffusées par ces cellules pour déterminer l’identité PLMN des cellules. Sur la base de ces informations et des informations stockées sur la carte du module d’identité d’abonné (SIM), l’UE sélectionne le meilleur PLMN. Il commence alors la procédure de sélection de cellule afin de trouver la meilleure cellule sur le camp. Pour hâter la sélection PLMN, l’UE peut également utiliser des informations historiques stockées des fréquences porteuses utilisées précédemment [14].

Sélection et re-sélection des cellules

Après la sélection PLMN, l’UE doit décider à quelle fréquence de la cellule et du transporteur sur laquelle il devrait s’accrocher. Ceci est réalisé avec la sélection des cellules. Comme avec la sélection PLMN, l’UE peut utiliser des informations stockées des fréquences porteuses utilisées précédemment pour accélérer la sélection de la cellule. Dans ce cas, le processus s’appelle « Sélection de cellule d’information stockée ». Si aucune information de ce genre n’existe, l’UE analysera simplement toutes les fréquences porteuses possibles et recherchera la cellule la plus forte dans le PLMN choisi. C’est ce qu’on appelle la « sélection de cellule initiale » [14].

Mode connecté (connected mode)

Le handover 

Le Handover est un mécanisme essentiel qui garantit la mobilité dans un réseau LTE et sa principale fonction est de maintenir le flux de trafic lorsque l’UE se déplace le long du réseau. L’idée derrière cela est simple : lorsqu’un UE perd la couverture radio d’eNodeB source alors qu’elle s’approche d’une autre couverture radio eNodeB, une nouvelle connexion doit être établie sur cette nouvelle station de base et la connexion avec l’ancien doit être annulée. Par conséquent, le transfert se produit généralement lorsque le signal eNodeB de service se détériore, ce qui provoque une mauvaise qualité de communication entre l’UE et le réseau. En outre, un transfert peut être nécessaire pour favoriser l’équilibrage de la charge réseau même si la puissance et la qualité du signal de la station de base actuelle sont bonnes.
Les raisons de déclencher un processus de transfert sont la nécessité de l’UE pour une meilleure QoS, des coûts plus bas, plus de bande passante, etc., ce qui peut amener l’UE à rechercher des stations de base offrant de meilleures conditions de service [14]

PROCESSUS DE PLANIFICATION ET D’OPTIMISATION DU RESEAU LTE

Introduction

Dans un opérateur, il a y un département qui fournit des services d’ingénierie de réseau dans les domaines de la planification de la radio, les drive tests, et l’optimisation du réseau radio. Ces services peuvent être utilisés pour réaliser notamment la vérification de chaque site du réseau Single Site Verification et de l’ensemble des sites clusters, l’évaluation de la couverture indoor et outdoor, l’analyse comparative de l’opérateur et d’autres services d’évaluation au besoin. En outre, il effectue une analyse du réseau pour évaluer l’équilibrage du trafic, optimiser les paramètres de réseau et gérer la capacité.
Dans ce chapitre, nous présenterons les différentes étapes suivies pour planifier et optimiser un réseau LTE. En premier lieu le concept de la planification sera explicité. Ensuite, nous détaillerons la méthodologie utilisée dans les opérations d’optimisation notamment l’étape d’acquisition de données à travers les différents drive tests réalisés ou l’analyses des statistiques
(KPIs).

Planification du réseau LTE

Le processus de calcul de la couverture et la capacité de l’e-nœud B peuvent être fait d’une manière arbitraire, mais s’adapte aux exigences d’entrée du projet de dimensionnement et la sortie attendue. Le processus commence par définir les exigences de qualité, exprime en débit binaire sur le bord de la cellule, ou en tant que degrés de couverture séparément pour la liaison montante et la liaison descendante, à la sortie souhaitée de la capacité de la cellule, et la distance site à site.
Le procédé calcule de dimensionnement inclut les étapes suivantes :
 Définir l’exigence de qualité : cette exigence est basée sur une condition de débit à une probabilité de couverture donnée en lien montant et en lien descendant. Les attributs suivants doivent être définis : Le type de transmission, le MIMO pour la diversité d’émission, la diversité de réception dans l’équipement d’utilisateur et station de base, la puissance de la station de base, la puissance de sortie de l’équipement de l’utilisateur, bande passante, bande de fréquence.
 Calculer la couverture : Selon les critères de qualité, la couverture peut être calculée en termes de perte de trajet, de la distance site à site, ou le rayon de cellules. Si la couverture ne répond pas aux exigences, la définition de la qualité au bord de la cellule. On peut itérer cette procédure pour atteindre les conditions requises au bord des cellules.
 Calculer la capacité : Les contraintes de couverture et de qualité au niveau du bord de la cellule sont utilisées pour calculer la capacité. Le calcul de capacité inclut en même temps l’évaluation de la couverture et de capacité (en lien montant et descendant), une méthode alternative de la capacité de cellule en lien descendant et de la distribution binaire.

Objectif de la planification

L’objectif de la planification est d’assurer la couverture d’une zone bien déterminée avec un nombre minimal de sites en fonction des services offerts et du nombre d’abonnés en tenant compte des contraintes de qualité de service. Il faudrait donc atteindre le maximum de couverture avec une capacité optimale tout en maintenant le coût de déploiement le plus faiblepossible.
A ce propos, il y a quelques opérateurs qui préfèrent ; pour des raisons de budget ; réduire le nombre de stations de base au lieu de réduire la puissance de transmission. Par contre, d’autres préfèrent couvrir la zone de manière à réduire la puissance nécessaire dans le sens montant et offrir ainsi aux utilisateurs des services plus consommateurs d’énergie mais avec une meilleure QoS.
En effet, la couverture est limitée par le lien montant en raison de la limitation en puissance d’émission des mobiles. Par contre, le sens descendant entraine des limitations sur la capacité, dû au fait que la station de base ne dispose que d’une puissance limitée et qu’elle doit réserver son potentiel de puissance à plusieurs mobiles à la fois.

Dimensionnement orienté capacité 

Le dimensionnement par capacité permet de trouver la capacité maximale qui peut être supportée par une cellule. L’objectif est de déterminer le nombre de sites nécessaires pour satisfaire les trafics des abonnés dans une zone déterminée. La capacité théorique du réseau est limitée par le nombre d’eNodeB installés dans le réseau, elle dépend de plusieurs facteurs tels que le type de zone, de service, et du nombre d’abonnés.
La procédure de dimensionnement par capacité se fait en 2 étapes :
 Dimensionnement par capacité d’un site.
 Calcul du volume total de trafic.
Ainsi, le nombre total de sites pour le dimensionnement par capacité s’obtiendra en divisant le volume total de trafic par la capacité d’un site.

Table des matières

REMERCIEMENTS 
TABLES DES MATIERES 
LISTES DES ABREVIATIONS ET NOTATIONS 
INTRODUCTION GENERALE 
CHAPITRE 1 APERÇU GENERAL SUR LA NORME 4G « LTE » 
1.1 Introduction
1.2 Evolution des réseaux cellulaires
1.3 Objectifs du réseau LTE
1.4 Architecture du réseau LTE
1.4.2 Les entités du réseau EPS
1.4.3 Les interfaces
1.5 Les caractéristiques fondamentales du réseau LTE
1.5.1 Débit sur l’interface radio
1.5.2 Latence
1.5.3 L’agilité en fréquence
1.5.4 Mobilité
1.5.5 Capacité en nombre d’utilisateur simultanés
1.6 Les technologies utilisées en LTE
1.6.1 Le mode de duplexage
1.6.2 Modulation adaptative
1.6.3 Codage adaptatif
1.6.4 Techniques d’accès
1.6.5 Le Physical Resource Block
1.6.6 Les couches protocolaires de l’interface radio
1.6.7 Les canaux radio
1.6.8 La technologie MIMO
1.7 Mobilité au sein de la norme LTE
1.7.2 Mode veille ou mode Idle
1.7.3 Sélection PLMN
1.7.4 Sélection et re-sélection des cellules
1.7.5 Mode connecté (connected mode)
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 PROCESSUS DE PLANIFICATION ET D’OPTIMISATION DU RESEAU LTE
2.1 Introduction
2.2 Planification du réseau LTE
2.2.1 Objectif de la planification
2.2.2 Processus de planification
2.3 Optimisation du réseau LTE
2.3.1 Les objectifs de l’optimisation
2.3.2 La Qualité de service (QoS)
2.3.3 Le but de la QoS
2.3.4 Processus d’optimisation
2.3.5 Les Indicateurs Clés de Performance ou Key Performance Indicator
2.3.6 Drive test
2.3.7 Mesure des paramètres radio en LTE
2.3.8 Analyse des problèmes Radio Frequency et méthodes d’optimisation
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 OPTIMSATION DU RESEAU LTE : ETUDE DE CAS DE VONTOVORONA 
3.1 Introduction
3.2 Présentation des logiciels
3.2.1 Le logiciel Nemo Outdoor et Nemo HANDY
3.2.2 Le post-traitement « Nemo Analyze »
3.3 Les résultats pratiques du drive test avant optimisation
3.3.1 Trace route
3.3.2 Distribution du niveau de signal RSRP
3.3.3 Distribution de la qualité du signal RSRQ
3.3.4 Distribution du rapport signal sur bruit SINR
3.3.5 Distribution PCI
3.3.6 Distribution du débit en liaison descendant
3.4 Analyse des résultats
3.5 Solutions proposées
3.6 Résultats après optimisation
3.6.1 Distribution du niveau de signal RSRP
3.6.2 Distribution de la qualité de signal RSRQ
3.6.3 Distribution du rapport signal sur bruit SINR
3.6.4 Distribution du PCI
3.6.5 Distribution du débit en downlink
3.7 Interprétations des résultats après optimisation
3.8 Calcul du nombre de sites à déployer
3.8.2 Calcul des MAPL downlink et uplink
3.8.3 Calcul du nombre d’eNodeB nécessaire
3.9 Emplacement du site
3.10 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATION DES RESULTATS DU DRIVE TEST SOUS ATOLL
4.1 Introduction
4.2 Le logiciel Atoll
4.3 Etape de planification sous Atoll
4.3.1 Création d’un nouveau projet
4.3.2 Choix de système de coordonées
4.3.3 Importation de la carte de la zone géographique à étudier
4.3.4 Zone de déploiement
4.3.5 Prédictions
4.4 Simulation de l’état du réseau après changement de tilt
4.4.1 Emplacement du site
4.4.2 Configuration du site
4.4.3 Prédictions
4.5 Simulation après mise en service du nouveau site
4.5.1 Emplacement du site
4.5.2 Configuration du site
4.5.3 Prédictions
4.6 Résultats
4.7 Conclusion
CONCLUSION GENERALE 
ANNEXE 1 CARACTERISITQUES D’UN SITE RADIO
ANNEXE 2 REPARTITION DE LA BANDE DE FREQUENCE EN LTE
ANNEXE 3 EXTRAITS DE CODE SOURCE MATLAB 
BIBLIOGRAPHIES