Introduction LTE 4G [PDF]

Zitiervorschau

4G LTE (Long Term Evolution)

Enseignant : Homère NKWAWO université Paris 13 [email protected]

Plan

I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII.

Introduction Architecture générale Interfaces et protocoles Couche Physique Qualité de Service et EPS bearers Gestion de la mobilité Concept de «femtocells» Conclusion

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Références • Martin Sauter, « From GSM to LTE », Wiley, 2010 • ETSI, http://www.etsi.org • 3GPP, http://www.3gpp.org • André-Luc Beylot, support de cours en LTE, 2010 • Mauricio Iturralde, « Performances of LTE », thèse à IRIT, 2012 • Yannick Bouguen, Eric Hardouin, François-Xavier Wolff, « LTE et les réseaux 4G »

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Historique (1) 9 Les découvertes théoriques des ondes radio • En 1819, Augustin Jean Fresnel démontre la nature ondulatoire • En 1865, Maxwell-Lorentz établit les formules unifiant phénomènes électriques, magnétiques et lumineux • En 1887, Heinrich Rudolf Hertz montre la possibilité d’émettre une onde radio • En 1897, Guglielmo Marconi réalise de nombreuses expérimentations sur la propagation des ondes hertziennes 9 Le développement des applications • En 1899 : Guglielmo Marconi réalise la première liaison par radio • Les domaines des applications entre 1900 et 1970: les stations radio militaires, les services de télégraphie, la police, les pompiers…

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Historique (2) 9 Les réseaux mobiles pour le grand public • Les premiers réseaux mobiles sont les réseaux cellulaires analogiques en 1970 • En 1979, AMPS (Advanced Mobile Phone Service) est installé à Chicago • En 1980, HCMTS (High Capacity Mobile Telephone System) à Tokyo • En 1985, Radiocom 2000 en France • En 1986, TACS (Total Access Communications System) en Angleterre 9 La deuxième génération de réseaux mobiles entre 1991 et 2001 • GSM (Global System for Mobile communications) • GPRS (General Packet Radio Service), 2G+ 9 La troisième génération de réseaux mobiles • En 2003, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) en Europe • La quatrième génération de réseaux mobiles 9 En 2009, LTE (Long Term Evolution) /LTE Advanced

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Historique (3) 9 Les réseaux sans fil pour le grand public • En 1994, Bluetooth crée par Ericsson comme WPAN • En 1997, Wifi (IEEE 802.11) est normalisé comme WLAN par IEEE • En 2003, Zigbee (IEEE 802.15.4-2003) est normalisé comme WPAN par IEEE • En 2004 WiMax - Worldwide Interoperability for Microwave Access (IEEE 802.16) est normalisé comme WAN par IEEE • …

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Historique (4) • 3GPP release 8 : les premières idées de LTE (Long Term Evolution) et HSPA (High-Speed Packet Access) en introduisant MIMO et 64-QAM (Quadrature amplitude modulation ) • 3GPP release 9 : idée de l’auto-organisation et de nouvelles cellules (eNodeB et Home eNodeB). Le standard LTE introduit aussi les nouvelles interfaces OFDM permettant d’atteindre les débits de 50100 Mb/s • 3GPP release 10 : LTE avancé (2010) propose les solutions afin de répondre les exigences IMT (International Mobile Telecommunications Advanced) • 3GPP release 11 : «Overview of 3GPP Release 11» V0.0.8, en 2011 (septembre) définit la réalisation de la LTE • 3GPP release 12 : «Overview of 3GPP Release 12» V0.0.5, en 2012 (septembre) concerne les récentes extensions 7

Organismes et standards • ETSI (European Telecommunication Standards Institute) normalise GSM et GPRS • www.etsi.org • 3GPP (3rd Generation Partnership Project) normalise GSM, GPRS, UMTS et LTE •www.3gpp.org • ITU (International Telecommunication Union) • www.itu.int/pages/default.aspx • IETF (The Internet Engineering Task Force) • www.irtf.org

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Introduction (1) 9 Pourquoi la quatrième génération LTE? • Les réseaux mobiles du GSM à l’UMTS sont les réseaux téléphoniques et IP (commutation de circuits + commutation de paquets). La conversion entre les deux types de réseau a un coût important. Solution de LTE: réseaux mobiles tout IP • Un des objectifs de l’UMTS est de concevoir une interface radio sur une bande de passante de 5MHz avec WCDMA (Widebande Code Division Multiple Access). Cependant, le débit élevé en utilisant la totalité de la bande passante entraine les multi-trajets «graves». Solution de LTE : OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) à la place de WCDMA • LTE intègre «le contrôlleur radio» dans l’eNodeB permettant la réduction de temps de traitement (latency/délai) et l’augmentation d’efficacité. • …

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Introduction (2) • Si les premiers standards de LTE (rel.8 et rel.9), dit pre-4G, s’orientent déjà vers une convergence tout IP, la norme 3GPP rel.10, candidate de l’IMT -Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced) est un standard de 4G. Il supporte: − une architecture tout IP simplifiée à l’aide du dispositif de MME (Mobility Management Entity). Cependant un investissement supplémentaire est indispensable (460M€ estimés) − un réseau de haut débit (quelques centaines Mb/s dans le sens descendant et environ 100 Mb/s dans le sens remontant) par nouvelles définitions des interfaces (E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access)

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Rappel Architecture du GSM • Le GSM se base sur les trois principales sous-ensembles (Subsystem) ou sous-réseaux • BSS (Base Station Subsystem) • NSS (Network SubSystem) • IN (Intelligent Network subsystem) consiste à fournir une base de données permettant d’offrir des fonctionnalités optionnelles. Par exemple, une connexion à un compte bancaire pour vérifier si l’abonné peut utiliser des services payants • Le mobile (MS – Mobile Station) est alternativement inclus ou exclus du sous-ensemble BSS suivant le contexte.

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Architecture - BSS • BSS (Base Station Subsystem) consiste en 2 parties: BTS (Base Transceiver Station) et BSC (Base Station Controller)

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Architecture - NSS (1) • NSS établit, contrôle et route les appels entre centres mobiles et filaires dans le même réseau ou dans les différents réseaux. Il se compose des équipements suivants : • MSC (Mobile Switching Center ) VLR (Visitor Location Register) • HLR (Home Location Register) AuC (Authentication Center) • SMSC (Short Messaging Service Center ) • L’AuC et le SMSC sont alternativement inclus ou exclus du sousensemble NSS suivant le contexte. Ils pourront être les équipements du sous-ensemble d’IN • MSC (Mobile Switching Center) supporte les services entre BSS et HLR (enregistrement, établissement de connexion, transfert de SMS…) • VLR (Visitor Location Register) associé à un MSC est une simple base de données. Elle contient une copie du profil temporaire de l’abonné qui connecte actuellement au MSC • HLR (Home Location Register) contient les profils d’abonnés (nom, numéro du mobile, ID, services…)

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Architecture - NSS (2)

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Architecture - NSS (3) • AuC (Authentication Center) contient la clé d’un abonné (= clé de la carte SIM) permettant de déclencher la procédure de l’authentification entre l’abonné et HLR/AuC. L’AuC est souvent inclus dans le HLR • EIR (Equipment Identity Register) vérifie l'identification de l'équipement mobile. C’est-à-dire, l’EIR contient les informations de sécurité du mobile, IMEI-International Mobile station Equipment Identity , par exemple • SMSC (Short Messaging Service Center) détermine la location de destination de messages courts.

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Architecture en couches • Le GSM établit un découpage et une répartition des fonctions sur divers équipements. La structure en couche reprend de découpage en respectant le modèle de l’OSI en 7 couches. • Dans le BSS, les trois couches basses de l’OSI : couche Physique, couche Liaison et couche Réseau, celle-ci est elle-même découpée en plusieurs sous-couche qui concernent plusieurs interfaces.

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Architecture en couches NSS

• La définition de l’architecture dépend de réseaux existants, en particulier, le RTC 18

Rappel: Architecture générale du GPRS

PCU (Paquet Control Unit) SGSN (Serving GPRS Support Node) GGSN (Gateway GPRS Support Node) CGF (Charging Gateway Fonctionality)

PSTN (Public Switched Telephone Network) PDN (Packet Data Network) PLMN (Public Land Mobile Network)

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Équipements • L’architecture consiste en deux parties: Circuit-switched et Packetswitched Core Network. Cette architecture nécessite les nouveaux équipements suivants : • PCU (Paquet Control Unit) gère le contrôle et la retransmission des trafic dans le sens remontant et dans le sens descendant les données venues du réseau. Selon la norme 3GPP TS23.060, la PCU pourrait être implémentée devant ou avec ou après BSC (devant = dans le BTS, avec = dans le BSC, après = devant SGSN) • SGSN (Serving GPRS Support Node) joue le rôle du MSC dans le réseaux commutation de paquets. Il relie le réseau d’accès et le réseau coeur. • GGSN (Gateway GPRS Support Node) connecte à des réseaux extérieurs, en particulier, Internet. • es autres équipements possibles : DNS (Domaine Name System), serveur sécurisé…

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Équipements SGSN • SGSN réalise la gestion du plan d’utilisateur et du plan de contrôle • Plan d’utilisation consiste d’abord à supporter des données d’utilisateur entre la MS, le BSS, le SGSN et le GGSN avec le contrôle de flux, la détection d’erreurs et la correction d’erreurs. La structure du plan d’utilisateur est celle de la pile protocolaire • Plan de contrôle concerne d’abord l’établissement d’une session par le protocole PDP (Packet Data Protocole) géré par le management de session (SM - Session Management) afin d’obtenir une adresse IP. Ensuite, la gestion de la mobilité par la sous-couche GMM (GPRS Mobilité Management) et par la procédure IRAU (Inter-SGSN Routing Area Update). Enfin la collecte des informations de taxation CDR (Detail Records)

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Équipements GGSN • GGSN relie GPRS vers les réseaux extérieurs tels que IP, ATM et X.25 • Identification du réseau demandé par APN (Access Point Name) • Allocation dynamique ou statique d’adresses IP à l’utilisateur durant une session PDP • Lors que le mobile change de localisation (Routing Area), GGSN prend en charge le nouveau SGSN (IRAU). Par conséquent, le changement de localisation est masqué vis-à-vis du réseau extérieur. • A Collecte des informations de taxation

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Plan d’utilisateur – Piles protocolaire entre MS et SGSN

BSSGP (BSS GPRS Protocol ) ; SNDCP(Sub Network Dependance Convergence Protocol ) GTP-U (GPRS Tunneling User Protocol) ; RLC (Radio Link Control) ; MAC (Media Access Control) LLC (Logical Link Control) ; Network Service = Frame Relay

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Plan de contrôle – Piles protocolaires

GTP-C (GPRS Tunneling Control Protocol) GMM (GPRS Mobility Management) SM (Session Management) NS (Network Service)

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Rappel: Architecture générale UMTS • UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) consiste en deux parties • NodeB est le responsable d’interface de la couche Physique. Autrement dit, il gère la modulation, la fréquence radio, la puissance d’émission et le débit de trafic « adapté ». • RNC (Radio Network Controller) s’occupe de la gestion de ressource radio (Radio Resource Management) concernant le handover, le contrôle d’admission et l’allocationes autres équipements possibles : DNS (Domaine Name System), serveur sécurisé…

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Acces Network CN Core Network UE User Equipment

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Rappel: Architecture générale UMTS

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Réseau cœur (1) • UMTS rel.5 consiste en trois principales parties: • La partie CS contient principalement le GSM • La partie PS contient principalement le GPRS • La partie IMS (IP multimédia Subsystem) connectée au PS permet au UMTS d’interconnecter aux autres réseaux existants (WiFi, WiMax, ATM, IP, ADSL…) • Gestion de la mobilité (MM – Mobility management) • Dans le domaine CS, le serveur MSC connait l’état d’un UE (MM Detached, MM Idle et MM Connected) • A Dans le domaine PS, le SGSN connait l’état d’un UE (PMM Detached, PMM idle et PMM Connected)

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Réseau cœur (2) • Gestion de la connexion • Dans le domaine CS, la gestion de la connexion repose sur le même principe du GSM (CC-Call Control) en créant un circuit, si l’IMS n’intervient pas dans la gestion. La partie PS contient principalement le GPRS • Dans le domaine PS, la gestion de la connexion repose sur le même principe du GPRS (GTP-GPRS Tunning Protocol) en créant un tunnel, si l’IMS n’intervient pas dans la gestion. • Si l’IMS intervient dans la gestion de la connexion, la procédure devient assez complexe (voir les détails dans le document 3GPP TS 24.008)

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L’architecture de LTE est simplifiée

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Comparaison des architectures (1) • Architecture simplifiée • MME (Mobility Management Entity) remplace les dispositifs PDSN/SGSN et BSC/RNC • PDSN: Packet Data Serving Node de CDMA2000 • SGSN: Serving GPRS Support Node • BSC: Base Station Controller • RNC: Radio Network Control

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Comparaison des architectures (2) • eNodeB remplace BTS/NodeB • Seving/PDN (Packet Data Network) gateway remplace HA/GGSN • BTS/NodeB: Base transceiver Station • HA/GGSN: Home Agent/ Gateway GPRS Support Node

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Architecture générale (1) • eNodeB et les interfaces S1 et X2 : les données d’utilisateurs sont transmises via S1-UP; la signalisation et les échanges entre eNodB et le réseau cœur sont transmis via S1-CP ; les échanges entre eNodeB sont directement transmis via l’interface X2. • MME gère l’authentification et le handover. Par exemple, un terminal mobile déplace d’un eNodeB à l’autre et si X2 n’est pas disponible. De ce fait, les interfaces S6 et S5 sont impliquées

UP: user plane CP: control plane HSS: Home Subscriber Server SGi: Service Gateway interface 32

Architecture générale (2) • Serving Gateway gère les données d’utilisateurs d’eNodeB à PDNgateway via S1 et S5. Le contrôle des canaux est géré par MME via S11 • PDN Gateway gère la connexion à l’Internet (affecter une @ IPv4 à un terminal + NAT-Network Address Translation) ou à l’intranet. De plus, le roaming international est également géré par PDN gateway

UP: user plane CP: control plane HSS: Home Subscriber Server SGi: Service Gateway interface 33

Architecture générale (3) • HSS joue le rôle de HLR/GSM et de MAP/UMTS. Il contient les paramètres suivants : • IMSI (International Mobile Subscriber Identity) • Informations d’identification • N° téléphone, n° MSISDN (Mobile Subscriber Integrated Service Digital Network) et services (SMS par exemple) • Descriptif d’un abonné (débit max, droit d’accès Internet…) • paramètres IMS • …

UP: user plane CP: control plane HSS: Home Subscriber Server SGi: Service Gateway interface 34

Architecture générale (4) • EPC (Evolved Packet Core)

UP: user plane CP: control plane HSS: Home Subscriber Server SGi: Service Gateway interface 35

LTE/SAE (System Architecture Evolution)

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Interfaces normalisées

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Principales interfaces

• Uu entre les UE et le réseau d’accès UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) • Um entre les UE et le réseau d’accès GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) • LTE-Uu entre les UE et le réseau d’accès E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) • S1 entre un e-NodeB et un MME et entre un e-NodeB et un Serving Gateway • X1 entre les e-NodeB • S3, S5, S6 et S11…

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Piles protocolaires (1)

• RLC (Radio Link Control) gère le segmentation, l’assemblage et la retransmission • PDCP (Packet Data Convergence Protocol)/UMTS : l’encapsulation de protocole, compression d’en-tête , chiffrement et protection d’intégrité. • RRC (Radio Resource control) situé à la couche 3 gère la signalisation entre un UE et un eNodeB (paging, RRC connexion, fonctions de mobilité, CR de mesures) • NAS (Non Access Stratum) gère les messages de signalisation (handover, connexion, contrôle d’admission radio, mesures, allocation de ressource) • A SCTP (Stream Control Transmission Protocol) joue un rôle similaire que UDP/TCP 40

Piles protocolaires (2) • GTP (General packet radio service Tunneling Protocol)

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Couche physique (1)

• Rappelons que l’évolution principale de la LTE est de re-définir les interfaces radios • OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) dans le sens descendant offre un haut début • SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) dans le sens remontant dans le but de résoudre le problème de PAPR (Peak to Average Power Ratio) quand les abonnés sont regroupés. • Modulation adaptive et codage MCS (Modulation and Coding Scheme) – 16 QAM et 64 QAM par exemple • MIMO (2 x 2) • le débit de la LTE dépend de plusieurs paramètres (nbre de bandes passantes, nbre de porteuses, nbre de MIMO, modulation et le catégorie de UE). Il peut atteindre à quelques centaines Mb/s.

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Couche physique (2)

• Le débit de LTE dépend de plusieurs paramètres (nb de bandes passantes, nb de porteuses, nb de MIMO, modulation et le catégorie de UE). Il peut atteindre à 150Mb/s • En Europe, par exemple, DL 2620-2690 MHz, UL 2500-2570 MHz, la séparation de fréquences (50 MHz) entre DL et UL, FDD • Au Japon: DL 2110-2170 MHz, UL 1920-1980 MHz, la séparation de fréquences (130 MHz) entre DL et UL, FDD • Aux USA: par exemple, DL 746-756 MHz, UL 777-787 MHz, la séparation de fréquences (21 MHz) entre DL et UL, FDD • En Chine: par exemple, DL 2570-2620 MHz, UL 2570-2620 MHz, TDD

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Couche physique (3)

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QoS et EPS bearers (1)

• EPS bearer (Evolved Packet System) tuyau a pour but de séparer les trafics différents (VoIP, FTP, vidéo). L’ensemble de trafics dans un tuyau est traité de la même façon (par la même signalisation, par exemple) • la classification de trafic repose sur les paramètres de QoS tels que le délai, le débit, la gigue et la séquence) • LTE définit deux types de EPS bearer : • GBR (Minimum Guaranteed Bit Rate) permet de garantir la QoS • GBR par défaut ou GBR dédié (créé pour chaque EPS bearer, aucune garantie de QoS) • non-GBR

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Exemple: service de LTE • chaque tuyau est créé en fonction du service demandé. Ainsi la qualité est rassurée

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QoS et EPS bearers (2)

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Paramètres QoS

• EPS bearer pour GBR (Minimum Guaranteed Bit Rate) • QCI (QoS Class Identifier) : ce paramètre lie à 1) le poids d’ordonnance ; 2) le seul d’admission ; 3) la taille de file d’attente . L’opérateur doit pré- configurer les eNodeB • ARP (Allocation and Retention Priority) : ce paramètre permet d’une décision (accepte, refus, modification) de création de tuyau • GBR (Guaranteed Bit Rate) : le débit garanti • MBR (Maximum Bit Rate) • EPS bearer pour non-GBR • QCI (QoS Class Identifier) • ARP (Allocation and Retention Priority)

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Gestion de files d’attente et l’ordonnancement • Dans le but de gérer le débit sur un lien (la bande passante), la station de base (ou un routeur) doit décider l’ordonnancement (quel paquet est choisi sur le lien sortant) et l’élimination (quel paquet est éliminé)

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Allocation équitable pondérée (weighted fair queueing • FIFO pour chaque file d’attente • Ordonnancement de «Weighted Fair Queueing» entre les différentes files d’attente • L’ordonnancement de «Weighted Fair Queueing» consiste à privilégier certains flux en leur accordant un poids lourd • A WFQ assure une potentielle équité en satisfaisant des contraintes de QoS de chaque file d’attente

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Algorithmes équitables • Les réseaux mobiles doivent principalement prendre en compte la mobilité et la qualité de lien qui n’étaient pas les critère de choix dans les réseaux filaires. • Algorithmes « Max-Min » privilégie les petits débits. On ne peut pas satisfaire le débit demandé d’un flux sans diminuer le débit demandé d’un flux plus petit • Round Robin Queueing et Fair Queueing, Weighted Fair Queueing • Algorithmes « proportionnelle » utilisés dans les réseaux mobiles et sans fil, cherchent à maximiser l’utilisation du débit global • MaxSNR (Maximum Signal to Noise Ratio) – Allocation avec Signal à bruit maximum • PF (Proportional Fair) – Allocation équitable et proportionnelle • Les nouvelles propositions sont très nombreuses (le poids sur temps d’attente, par exemple).

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Allocation avec Signal à bruit maximum • MaxSNR donne la priorité à l’utilisateur k ayant le plus grand rapport signal à bruit • MaxSNR alloue une (ou plusieurs) unité(s) de ressource à l’utilisateur k parmi tous les utilisateurs (k = 1, 2…k) • Puisque la décision d’allocation se base sur la connaissance de la couche MAC, le débit pourra être utilisé au maximum • L’algorithme est simple à implémenter

débit = arg max k ( unitéalloué ) , k = 1, 2,3,..., K

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Allocation équitable et proportionnelle • « Proportional Fair » consiste à allouer une (ou plusieurs) unité(s) de ressource à l’utilisateur i qui a les conditions de transmission les plus favorables par rapport à sa moyenne ui • La moyenne des ressources déjà allouées permet de donner chaque utilisateur une chance d’accès • La décision d’allocation se base sur les informations de la couche MAC, par conséquent, l’algorithme assure une maximisation du débit et une équité en long terme • L’algorithme est simple à implémenter

j=

ui ( t ) ui

moyenne

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Gestion de mobilité • La gestion de mobilité consiste principalement en deux parties: • La mobilité gérée par l’interface S1 entre un eNodeB et un MME ou entre un e-NodeB et un Serving Gateway (ex, localisation, handover) • La mobilité gérée par l’interface X2 entre les eNodeB (ex, handover)

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Intra seamless handover

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Concept de femtocell dans la LTE (1) • Une femtocell est une petite cellule permettant des transmissions mobiles à la résidence. La consommation d’énergie doit être faible. • On distingue deux types de cellules : • Macrocell (eNodeB) • Femtocell (Home eNodeB) • Dans une zone gérée par un eNodeB, la QoS n’est pas bien garantie si un UE se trouve loin de l’eNodeB, alors l’installation de Home eNodeB permet d’équilibrer la charge.

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Concept de femtocell dans la LTE (2) • Le concept de femtocell a été conçu pour le UMTS. La LTE repose sur le concept. • Le but principal du concept de femtocell est de gérer mieux la ressource radio (la séparation de ressources indoor (gérées par Home eNodeB) et outdoor (eNodeB). De ce fait, un UE à la maison peut obtenir la QoS. • L’inconvénient principale est l’interférence causée par • La gestion de ressources séparée (eNodeB et Home eNode peuvent louer la même ressource) • L’intersection de bandes de passante • Solution : depuis quelques années, les approches suivantes ont été proposées • Méthode de «quatre couleurs» • Méthode de l’allocation dynamique à l’aide du rapport de signal à bruit

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Conclusion

• LTE répond à des nouveaux besoins (délai court, débit élevé, nouveaux services à l’aide souvent par l’interconnexion) • Architecture générale simplifiée • Piles protocolaires reposent sur le protocole IP • Qualité de Service est principalement garantie par EPS bearers de bout en bout • Amélioration de performance par méthode « inter-couche » • WiMax (IEEE 802.16) est un concurrent de la LTE

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