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Evolutions vers la 4G


            Neila EL HENI
          neila.elheni@lip6.fr
neila.elheni@green-communications.fr


                                       1
Sommaire

 Migration vers la 4G

 LTE
   Motivations
   Avancées techniques
   Architecture
   Déploiement


 La 4G



                         2
Migration vers la 4G
                   Global Evolution Trends                                                               Wireless Transmission
           –
          Path 1      3G Evolution                                                                       100 Mbps (high mobility)
           –
          Path 2      802.11n, Gigabit WLAN                                                               1Gbps(Fixed, Nomadic)
           –
          Path 3      Broadband wireless Access              New Life Style                                 Heterogeneous IW
                                                                                                             Cost-effective
                                                                              4G                              High capacity

Mobility                                                              Standard                               Larger coverage
                   1995              2000            2005              2010
                                                                  1                LTE-A     IMT-
   High
(250 Km/h~)
                                     Multimedia                  3G Ev.
                                                                                           Advanced
                                                             OFDMA/LTE
                                                                              802.16m         4G
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                                                                                                                              3
Réseaux cellulaires mobiles : Générations

   1G NMT (Nordisk Mobil Telefoni), AMPS (Advanced Mobile Phone System) : analogique

   2G GSM (Global System for Mobile Communications) : numérique, commutation de
   circuit (CS)

   2,5G GPRS (General Packet Radio Service) : numérique, commutation de paquet (PS)

   2,9G Edge (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) : numérique, PS, modulation
   rapide

   3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) : transmission large bande
   sur 5 MHz au lieu de 200 Khz avec la 2G : débit de 2 Mbps

   3,5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) : débit de 14 Mbps sur 5 MHz

   3,7G HSPA Dual Carrier – débit de 28 Mbps sur 5 MHz

   3,9G LTE (Long Term Evolution) débit supérieur à 100 Mbps sur 20 MHz

   4G LTE-A (LTE-Advanced): débit de 1Gbps sur 100 MHz

                                                                                  4 4
Pourquoi LTE

 La 3G/3G+ arrive à saturation
     Tsunami vidéo (Youtube)
      •   86.000 heures de vidéo téléchargées chaque jour
      •   Plus de 4 milliards vues vidéo par jour

     LTE augmente le débit et la capacité pour les services IP

     Nouveau spectre


 Pas de “killer application” pour l’adoption du LTE
     Internet/ FTP
     Video/audio streaming, TV
     Services temps réels : jeux en ligne, VoIP
     Complément des solutions de cloud computing
     Alléger les services de retransmission vidéo (de caméras de surveillance)


 Une meilleure qualité des communications en forte mobilité
                                                                                 5
Spécifications techniques du LTE

 Débit max descendant
    300 Mbps
 Débit ascendant max : 75 Mbits/s
 Bande passante jusqu’à 20 MHz
 Modulation jusqu’à 64-QAM
 Antennes MIMO (Multiple Input Multiple Output)
 Large gamme de fréquences définie par ITU-R (International Telecommunication
 Union-Radio)
 Taille de cellules variable (jusqu’à 100 kms)
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 Latence faible de 20 ms vs 50-60ms for HSPA+
 Uniquement le mode unicast dans la Rel 8, le broadcast est introduit dans la
 Rel10
 Support des duplexages FDD et TDD


                                                                         6

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  • 1. Evolutions vers la 4G Neila EL HENI neila.elheni@lip6.fr neila.elheni@green-communications.fr 1
  • 2. Sommaire Migration vers la 4G LTE Motivations Avancées techniques Architecture Déploiement La 4G 2
  • 3. Migration vers la 4G Global Evolution Trends Wireless Transmission – Path 1 3G Evolution 100 Mbps (high mobility) – Path 2 802.11n, Gigabit WLAN 1Gbps(Fixed, Nomadic) – Path 3 Broadband wireless Access New Life Style Heterogeneous IW Cost-effective 4G High capacity Mobility Standard Larger coverage 1995 2000 2005 2010 1 LTE-A IMT- High (250 Km/h~) Multimedia 3G Ev. Advanced OFDMA/LTE 802.16m 4G 3G 3G++ Medium 2G W-CDMA/HSDPA 802.16e 3 (Vehicular) GSM CDMA2000/Ev-DV/DO 1G IS-41 WiBro AMPS 2 WLAN Low Voice 802.16 a/d WLAN 802.11vht 802.11n (Nomadic) WLAN 802.11a/b Data Rate 14.4 Kbps 144 Kbps 384 Kbps ~ 50 Mbps ~100 Mbps ~ 3
  • 4. Réseaux cellulaires mobiles : Générations 1G NMT (Nordisk Mobil Telefoni), AMPS (Advanced Mobile Phone System) : analogique 2G GSM (Global System for Mobile Communications) : numérique, commutation de circuit (CS) 2,5G GPRS (General Packet Radio Service) : numérique, commutation de paquet (PS) 2,9G Edge (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) : numérique, PS, modulation rapide 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) : transmission large bande sur 5 MHz au lieu de 200 Khz avec la 2G : débit de 2 Mbps 3,5G HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) : débit de 14 Mbps sur 5 MHz 3,7G HSPA Dual Carrier – débit de 28 Mbps sur 5 MHz 3,9G LTE (Long Term Evolution) débit supérieur à 100 Mbps sur 20 MHz 4G LTE-A (LTE-Advanced): débit de 1Gbps sur 100 MHz 4 4
  • 5. Pourquoi LTE La 3G/3G+ arrive à saturation Tsunami vidéo (Youtube) • 86.000 heures de vidéo téléchargées chaque jour • Plus de 4 milliards vues vidéo par jour LTE augmente le débit et la capacité pour les services IP Nouveau spectre Pas de “killer application” pour l’adoption du LTE Internet/ FTP Video/audio streaming, TV Services temps réels : jeux en ligne, VoIP Complément des solutions de cloud computing Alléger les services de retransmission vidéo (de caméras de surveillance) Une meilleure qualité des communications en forte mobilité 5
  • 6. Spécifications techniques du LTE Débit max descendant 300 Mbps Débit ascendant max : 75 Mbits/s Bande passante jusqu’à 20 MHz Modulation jusqu’à 64-QAM Antennes MIMO (Multiple Input Multiple Output) Large gamme de fréquences définie par ITU-R (International Telecommunication Union-Radio) Taille de cellules variable (jusqu’à 100 kms) 200 clients actifs par cellule Latence faible de 20 ms vs 50-60ms for HSPA+ Uniquement le mode unicast dans la Rel 8, le broadcast est introduit dans la Rel10 Support des duplexages FDD et TDD 6
  • 7. Coûts de déploiement du LTE Nouvelle architecture de réseau Nouvel accès radio avec un seul type d’équipement : Stations de base évoluées (eNodeB) Nouveau coeur de réseau (Evolved Packet Core) Interfaces ouvertes et mécanismes efficaces de configuration et de maintenance Est-ce plus rentable de faire des mises à jour logicielles des équipements 2G/3G existants ou d’investir dans des nouveaux équipements LTE? Interopérabilité avec les systèmes existants Premiers déploiements de LTE avec couverture partielle et handovers avec les systèmes existants Nouvelles bandes de fréquences Complexité de terminaux Low-cost et batterie de longue durée de vie 7
  • 8. 105 réseaux commerciaux LTE Octobre 2012 : rapport du GSA (Global mobile Suppliers Association) Le rapport confirme 105 réseaux commercialisés dans 48 pays >17 millions abonnés LTE pour Q1 2012 (64% en Amérique du nord) 159 réseaux prévus à la fin de 2012 8
  • 9. Quel spectre pour le déploiement du LTE 9
  • 10. Bandes définies par 3GPP [36.101] 10
  • 11. Attribution des fréquences des 2.6 GHz (bande 7) Après avoir validé les dossiers des 4 opérateurs et révélé les montants consentis, dont la somme atteint 936 millions d'euros, l'Autorité officialise leur position sur le spectre de 2.6 GHz (150 000 000 €) (287 118 501 €) (228 011 012€) (271 000 000 €) Free Mobile pourra, de droit, bénéficier de l’itinérance dans la bande 800 MHz dès lors que son réseau à 2,6 GHz aura atteint une couverture de 25 % de la population 11
  • 12. Attribution des fréquences des 800 MHz (bande 20) Des licences sont attribuées (Janv. 2012) à Bouygues Telecom, Orange France et SFR dans la bande 800 MHz. Défi : interférences avec la TNT (ARCEP Dec2011) 12
  • 13. Déploiement Orange Premier déploiement à Marseille Fait avec des équipements fournis par Alcatel Lucent. Ce déploiement utilise la bande de fréquence des 2,6 GHz Equipements • Tablette Galaxy Tab 8,9’’ 4G mis à disposition d’une partie des testeurs • Clé 4G E392 de Huawei • Domino 4G E589 de Huawei : capte le signal 4G et le rediffuse en WiFi • Boitier fourni par la Société Aviwest et permettant la retransmission de la Sosh Freestyle Cup en 4G Services testés • Télé HD en mobilité • Cloud Gaming 4G • Accès fluide et immédiat à l’ensemble des outils professionnels sur le cloud depuis n’importe quel lieu Commercialisation prévue à partir de début 2013 Orange vise une couverture de 50% de la population en 4G pour la mi- 2014, et compte investir environ 500 M€ par an sur ses infrastructures mobiles. Les prochaines grandes villes couvertes devraient être, après Marseille, Lyon et Nantes. 13
  • 14. Déploiement Bouygues Telecom Premier déploiement à Lyon et commercialisation à partir de 2013 Equipements fournis par Ericsson, déploiement ne concerne que la bande des 2,6 GHz. Celle des 800 MHz pas encore utilisé à cause des perturbations occasionnées avec la TNT Plus de 200 personnes retenues pour les tests :100 clients du grand public (tirés au sort sur 6.000 inscrits), 20 professionnels en télécom, 50 autres entreprises, 50 collaborateurs de Bouygues à Lyon et une cinquantaine de VIP : blogueurs, journalistes, etc Uniquement services data Téléchargement rapide, jeux en réseau, surf, streaming HD, etc. Les débits proposés sont limités pour le moment à une vitesse de 100 Mbps Equipements prêtés Hotspot Mobile ZTE MF91D Samsung Galaxy Tab 8,9 LTE 14
  • 15. LTE : architecture Accès : Evolved-UTRAN • Suppression du RNC - architecture plate • Interface X2 (support de mobilité) • Pas de domaine CS Cœur : SAE (System Architecture Evolution) • SAE est le nom du projet, le réseau X2 X2 s’appelle EPC (Evolved Packet Core) • MME : plan de contrôle • S-GW : plan de données • Architecture IP multi-accès (3GPP et des eNodeB : evolved Node B non-3GPP) MME (Mobility Management Entity) • Architecture IP multi-accès (3GPP et des S-GW (Serving Gateway) non-3GPP) 15
  • 16. LTE : e-UTRAN • Interface X2 • support de mobilité, gestion d’interférence • Domaine PS uniquement • OFDMA au lieu du CDMA • HARQ 16
  • 17. Du CDMA 3G à l’OFDMA LTE c1 c2 c3 S= s1.c1+s2.c2+s3.c3 Fréquences 1 s1= S. c1 2 s2= S. c2 3 s3= S. c3 Temps 17
  • 18. Du CDMA 3G à l’OFDMA LTE OFDMA Fréquences VoIP HTTP streaming Un bloc de ressource est de longueur 0,5 ms et contient 12 sous-porteuses (15 Hz/porteuse) Temps 18
  • 19. Ordonnancement de paquet VoIP Entrées - Etat du canal de chaque usager Vidéo strea - Contraintes QoS applications ming CQI1 - Profil abonné (catégorie, itinérence) CQI2 FTP CQI3 Sorties Serveu r Ordonna CQI4 - Choix d’usager à servir en premier HTTP nceur - Choix de débit VoIP CQI Channel Quality Indicator Objectifs de l’ordonnancement - Optimiser la capacité, le débit, les performances au bord de la cellule, l’équité, les délais - 19-
  • 20. HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest Stockage d’une transmission erronée & combinaison avec la (les) retransmission(s) Gain en SNR Versions Algorithme de Chase : retransmissions identiques à la transmission originale Redondance incrémentale : retransmission avec redondance supplémentaire P1.1 P1.2 P2.1 ACK NACK P1.2 + P1.1 P1.1 Soft combining Pi,j : Transmission j du paquet i 20
  • 21. Multi-antennes LTE LTE-A 21
  • 22. IMS IP Multimedia Sub-system 3GPP Rel. 5-6 22
  • 23. Signalisation/média Séparation de la signalisation et de la partie média IMS/SIP RTP Real-Time Transport Protocol 23
  • 24. IMS : exemples de services • Echange de fichiers pendant un appel • Service de présence • Un usager peut créer une règle qui le montre connecté après 20:00 et rejette tous les appels en provenance d’un appelant de son groupe professionnel. • Un usager peut couper lorsque ses collègues professionnels appellent et les rediriger vers une page Web spécifique présentant l'hôtel où il passe ses vacances • Un usager peut activer la sonnerie au niveau de tous ses appareils en fonction de l’appelant • Messagerie instantanée et vidéo conférence 24
  • 25. Mobilité et nouveaux services: SIP & IMS, convergence 25
  • 26. Voix : scénarios 1. Solution All VoIP VoIP sur LTE VoIP dans UMTS Sollicitation de l’IMS (IP-Multimedia Subsystem) 2. Solution hybride ou VOLGA (Voice Over LTE via Generic Access) VoIP sous la couverture de LTE Voix CS dans 3G/GERAN Equivalent à l’UMA (Unlicenced Mobile Access) 3. CS Fallback Voix CS partout (LTE, 3G, GERAN) Transfert ‘classique’ de la voix : NB-RNC-MSC/VLR (+) : fiabilité du service (-) : ne profite pas des latences/débits LTE (-) : pas de fonctionnalités avancées pour la voix (présence, messagerie..) 26
  • 27. LTE-A Long Term Evolution- Advanced 3GPP Rel. 10 27
  • 28. LTE-A : la 4G Amélioration de LTE (Release 8) Meilleure couverture, capacité, latence, vitesse de transmission Largeur de bande jusqu’à 100 MHz Beamforming Antennes intelligentes MIMO Tout-IP Nouvelles fonctionnalités avancées QoS SON SON (Self Organization Networks) CA OFDMA CA (Carrier aggregation) AMC Radio cognitive CoMP (Coordinated Multipoint Transmission) H-ARQ CoMP 28
  • 29. Antennes plus avancées Release 8 LTE maximum number of LTE-Advanced maximum number of antenna ports and spatial layers antenna ports and spatial layers MIMO avancé avec Multi MIMO Smart antennas ou AAS (adaptative antenna systems) : les faisceaux sont dirigés vers les utilisateurs : ceci nécessite la connaissance de leur positions via des systèmes de géolocalisation • Puissance dynamique • Direction dynamique • Fréquence dynamique 29
  • 30. CA (Carrier Aggregation) : Scénarios 30
  • 31. SON (Self Optimizing Network) Self configuration : fonctionnement P&P • Découverte de voisins, allocation de cell_ID, chargement automatique de software Self optimization : ajustement automatique de paramètres de transmission • Amélioration de la couverture et de la capacité Self healing : reprise automatique suite aux problèmes • Détection et correction des ‘ping-pong’ 31