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Sommaire
Chapitre I – Architecture LTE
1. Architecture générale :...........................................................................................................................4
2. Réseau d’accès (Access Network) ..........................................................................................................5
1.1. Caractéristiques ..............................................................................................................................5
1.1.1. Débit de l’interface radio.........................................................................................................5
1.1.2. Connexion permanente...........................................................................................................5
1.1.3. Délai pour la transmission de données ...................................................................................6
1.1.4. Mobilité....................................................................................................................................6
1.1.5. Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :...................................................................6
1.1.6. Flexibilité dans l’usage de la bande :.......................................................................................6
1.1.7. Support du multicast : .............................................................................................................6
1.1.8. Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales....................................6
1.2. Les entités du réseau d’accès (E-UTRAN) : .....................................................................................6
3. Réseau cœur (Core Network).................................................................................................................7
3.1. Caractéristiques ..............................................................................................................................7
3.2. Les entités du réseau cœur :...........................................................................................................9
3.2.1. Mobility Management Entity :.................................................................................................9
3.2.2. Serving Gateway (SGW)...........................................................................................................9
3.2.3. PDN Gateway (PGW)...............................................................................................................9
3.2.4. Home Subscriber Server (HSS)...............................................................................................10
3.2.5. Policy and Charging Rules Function (PCRF) ...........................................................................10
Chapitre II - Interfaces et Protocoles
1. Architecture générale...........................................................................................................................11
1.1. Evolutions des différents nœuds dans le LTE ...............................................................................12
1.2. Les interfaces réseau de l’E-UTRAN..............................................................................................14
1.2.1. Interface S1............................................................................................................................16
1.2.2. Interface S1 Felxibility............................................................................................................17

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1.2.3. Interface X2............................................................................................................................18
2. Les plans usager et de contrôle............................................................................................................19
2.1. L’architecture du plan usager .......................................................................................................19
2.2. L’architecture du plan de contrôle ...............................................................................................20
3. Les protocoles de l’interface Radio......................................................................................................21
3.1. Architecture en couche radio de l’E-UTRAN.................................................................................21
3.2. Les canaux radio............................................................................................................................23
3.2.1. Canaux logiques.....................................................................................................................23
3.2.2. Canaux de transport ..............................................................................................................24
3.2.3. Canaux physique....................................................................................................................24
3.2.4. Mappage entre les canaux.....................................................................................................25
3.3. La couche PHY...............................................................................................................................26
3.4. La couche MAC..............................................................................................................................27
3.5. La couche RLC................................................................................................................................27
3.6. La couche RRC...............................................................................................................................28
3.7. La couche PDCP.............................................................................................................................28
3.8. Protocoles NAS..............................................................................................................................29
Chapitre III - Interface Radio LTE
1. Introduction..........................................................................................................................................30
2. Orthogonal Frequency Division Multiplex............................................................................................30
2.1 Modulation Single Carrier et Egalisation :........................................................................................30
2.2 Principes de l’OFDM .........................................................................................................................32
2.3 Avantages de l’OFDM : .....................................................................................................................34
3. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA): ................................................................35
3.1 La structure des trames en LTE :.......................................................................................................35
3.2 Définition du ‘Physical Resource Block’ :..........................................................................................36
4. Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) ...........................................................37
5. Multiple Input Multiple Output et Maximal Radio Combining (MIMO & MRC)..................................40
5.1 Principe de MRC :..............................................................................................................................40

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5.2 Principe de MIMO :...........................................................................................................................41
6. Power Control.......................................................................................................................................42

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Chapitre I
Architecture du LTE
LTE : Long Terme Evolution (connu sous le nom de la 4G), est la dernière technologie sans fil
apparu.la 3GPP a défini cette technologie comme R8 suite au succès qu’a connu les réseaux
UMTS/HSPA. Elle est basée sur des techniques radios telles que l’OFDMA et le MIMO permettant le
transfert de données à très haut débit, avec une portée plus importante, un nombre d’appels par cellule
supérieur et une latence plus faible.
1. Architecture générale
La figure ci-dessous décrit l’architecture globale du réseau, en incluant non seulement le réseau
Cœur et le réseau d’accès, mais aussi d’autres blocs, et cela dans le but de montrer la relation entre
eux. Pour une simplification, la figure montre seulement les interfaces de signalisation. Dans des cas, les
deux ( signalisation et DATA ) sont supportés par les interfaces ( comme S1,s2 ou 3G PS Gi interfaces)
mais , dans d’autres cas les interfaces sont dédiés pour les plans de contrôle , et ne supportent que la
signalisations ( comme les interfaces S6 et la S7).
Les nouveaux blocs spécifiés pour le LTE, connu aussi sous le nom d’EPS (Evolved Packet System),
sont l’EPC (Evolved Packet Core) et l’E-UTRAN (Evolved UTRAN).
D’autres blocs sont également affichés , comme l’UTRAN ( le réseau d’accès de l’UMTS ) , les deux
parties PS et CS du réseau cœur ,reliés respectivement , au réseau d’IP public ( ou privé ) et au réseau
du téléphone. L’IMS (IP Multimedia Subsystem) est localisé au sommeil de la parties cœur et fournit
l’accès aux réseaux IP publique et privé, et le réseau public du téléphone via les entités du réseau Media
Gateway.

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Figure 1.01 : Architecture général du LTE.
2. Réseau d’accès (Access Network)
1.1.Caractéristiques
1.1.1. Débit de l’interface radio
L’interface radio E-UTRAN doit pouvoir supporter un débit maximum instantané de 100 Mbit/s
en considérant une allocation de bande de fréquence de 20 MHz pour le sens descendant et un débit
maximum instantané de 50 Mbit/s en considérant aussi une allocation de bande de fréquence de 20
MHz pour le sens montant. Les technologies utilisées sont OFDMA (Orthogonal Frequency Division
Multiple Access) pour le sens descendant et SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple
Access) pour le sens montant. Cela correspond à une efficacité du spectre de 5 bit/s/Hz pour le sens
descendant et 2,5 bit/s/Hz pour le sens montant.
1.1.2. Connexion permanente
Principe des accès haut débit où la connectivité est permanente pour l’accès à Internet. Mais
même si la connexion est permanente au niveau du réseau, il est nécessaire pour le terminal de passer
de l’état IDLE à l’état ACTIF lorsqu’il s’agira d’envoyer ou recevoir du trafic. Ce changement d’état

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s’opère en moins de 100 ms. Le réseau pourra recevoir le trafic de tout terminal rattaché puisque ce
dernier dispose d’une adresse IP, mettre en mémoire ce trafic, réaliser l’opération de paging afin de
localiser le terminal et lui demander de réserver des ressources afin de pouvoir lui relayer son trafic.
1.1.3. Délai pour la transmission de données
Moins de 5 ms entre l’UE et l’Access Gateway, en situation de non-charge où un seul terminal
est ACTIF sur l’interface radio. La valeur moyenne du délai devrait avoisiner les 25 ms en situation de
charge moyenne de l’interface radio. Ceci permet de supporter les services temps réel IP, comme la voix
sur IP et le streaming sur IP.
1.1.4. Mobilité
Assurée à des vitesses comprises entre 120 et 350 km/h. Le handover pourra s’effectuer (la LTE ne
permet que le hard handover et non pas le soft handover) dans des conditions où l’usager se déplace à
grande vitesse.
1.1.5. Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :
Le handover entre E-UTRAN (LTE) et UTRAN (3G) doit être réalisé en moins de 300 ms pour les
services temps-réel et 500 ms pour les services non temps-réel. Il est clair qu’au début du déploiement
de la LTE peu de zones seront couvertes. Il s’agira pour l’opérateur de s’assurer que le handover entre la
LTE et la 2G/3G est toujours possible. Le handover pourra aussi s’effectuer entre la LTE et les réseaux
CDMA-2000. Les opérateurs CDMA évolueront aussi vers la LTE qui devient le vrai standard de
communication mobile de 4ème génération.
1.1.6. Flexibilité dans l’usage de la bande :
E-UTRAN doit pouvoir opérer dans des allocations de bande de fréquence de différentes tailles
incluant 1.25, 2.5, 5, 10, 15 et 20MHz.
1.1.7. Support du multicast :
Notamment pour les applications multimédia telles que la télévision en broadcast.
1.1.8. Couverture de cellule importante dans les zones urbaines et rurales
Comme la LTE pourra opérer sur des bandes de fréquences diverses et notamment basses
comme celle des 700 MHz, il sera possible de considérer des cellules qui pourront couvrir un large
diamètre.
1.2.Les entités du réseau d’accès (E-UTRAN) :
La seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé à un Node B+RNC.
L’eNodeB est le responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE.

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A la différence de l’UTRAN 3G où sont présentes les entités Node B et RNC, l’architecture e-UTRAN
ne présente que des eNodeB. Les fonctions supportées par le RNC ont été réparties entre l’eNodeB et
les entités du réseau cœur MME/SGW. L’eNodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur.
L’interface S1 consiste en S1-C (S1-Contrôle) entre l’eNodeB et la MME et S1-U (S1-Usager) entre
l’eNodeB et la SGW. Une nouvelle interface X2 a été définie entre les eNodeBs adjacents. Son rôle est de
minimiser la perte de paquets lors de la mobilité de l’usager en mode ACTIF (Handover). Lorsque
l’usager se déplace en mode ACTIF d’un eNodeB à un autre eNodeB, de nouvelles ressources sont
allouées sur le nouvel eNodeB pour l’UE ; or le réseau continu à transférer les paquets entrants vers
l’ancien eNodeB tant que le nouvel eNodeB n’a pas informé le réseau qu’il s’agit de lui relayer les
paquets entrants pour cet UE. Pendant ce temps l’ancien eNodeB relaie les paquets entrants sur
l’interface X2 au nouvel eNodeB qui les remet à l’UE.
Figure 1.02 : Architecture de l’E-UTRAN.
3. Réseau cœur (Core Network)
3.1.Caractéristiques
En effet, la SAE est le nom d’une étude où la 3GPP industrie développe une structure pour une
évolution et migration des systèmes courants à un système qui supporte des technologies d'accès
multiples, avec un plus haut taux de données et basé sur la commutation de paquets. Alors que l’EPC
(Evolved Packet Core) ou le CPE est le nom du réseau cœur évolué.
À la différence des réseaux 2G et 3G où l’on distinguait les domaines de commutation de circuit
(CS, Circuit Switched) et de commutation de paquet (PS, Packet Switched) dans le réseau cœur, ce
nouveau réseau quand à lui ne possède qu’un domaine paquet appelé EPC. Ainsi, tous les services
devront être offerts sur IP y compris ceux qui étaient auparavant offerts par le domaine circuit tels que
la voix, la visiophonie, le SMS, etc.

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L’EPC fonctionne en situation de roaming en mode « home routed » ou en mode « local
breakout ». Autrement dit lorsqu’un client est dans un réseau visité, son trafic de données est soit routé
à son réseau nominal qui le relaye par la suite à la destination (home routed) ou directement routé au
réseau de destinataire sans le faire acheminer à son réseau nominal (local breakout).
Il est possible de faire acheminer le trafic de l’EPC vers l’accès LTE, CDMA-2000 (paquet), 2G
(paquet) et 3G (paquet) et ainsi garantir le handover entre ces technologies d’accès.
L’EPC supporte les Default bearers et les Dedicated bearers, c’est-à-dire lorsque l’usager se rattache
au réseau EPC, ce dernier lui crée un défaut bearer qui représente une connectivité permanente tant
que l’usager est rattaché au réseau mais sans débit garanti. Quand l’usager souhaitera établir un appel
qui requiert une certaine qualité de service telle que l’appel voix ou visiophonie, le réseau pourra établir
pour la durée de l’appel un dedicated bearer qui supporte la qualité de service exigée par le flux de
service et surtout qui dispose d’un débit garanti afin d’émuler le mode circuit.
Enfin, l’EPC supporte le filtrage de paquet par exemple pour la détection de virus et une taxation
évoluée basée sur le service accédé par le client en termes du volume, de la session, de la durée, de
l’événement, du contenu, etc.
Figure 1.03 : Vue globale du réseau cœur EPC.

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3.2.Les entités du réseau cœur :
Le réseau cœur évolué EPS consiste comme le montre la figure en les cinq principales entités
énumérées ci-dessous:
3.2.1. Mobility Management Entity :
Entité de gestion de mobilité, MME : la MME est le nœud principal de contrôle du réseau d'accès
LTE/SAE. Elle manipule un certain nombre de fonctionnalités telles que:
 Le suivi des UE Mode Inactif (idle).
 L’activation / désactivation du Bearer.
 Le choix du SGW pour un UE.
 Le handover Intra-LTE impliquant la location du nœud du réseau d’accès.
 L’interaction avec le HSS pour authentifier un utilisateur en attachement et implémentation des
restrictions d'itinérance.
 Elle agit comme un licenciement pour la Non-Access Stratum (NAS).
 Elle Fournit des identités temporaires pour les UEs.
 La SAE/MME agit en point de terminaison pour le chiffrement de protection des NAS de
signalisation. Dans le cadre de cela, il s'occupe également de la gestion de la clé de sécurité. En
conséquence, la MME est le point où l'interception légale de signalisation peut être effectuée.
 La procédure de Paging.
 L'interface S3 se terminant dans la MME fournit ainsi la fonction de plan de contrôle de mobilité
entre les réseaux d'accès LTE et 2G/3G.
 Le MME/SAE termine également l'interface S6 pour le HSS pour l'itinérance UEs.
 La MME/SAE fournit un niveau considérable de fonctionnalités de contrôle global.
3.2.2. Serving Gateway (SGW)
La passerelle de service SGW, est un élément plan de données au sein de la LTE/SAE. Son
objectif principal est de gérer la mobilité du plan utilisateur, elle agit également comme une
frontière principale entre le Radio Access Network, RAN et le réseau cœur. La SGW maintient
également les chemins de données entre les eNodeBs et les passerelles PDN. De cette façon le
SGW forme une interface pour le réseau de données par paquets à l'E-UTRAN. Aussi quand les
UEs se déplacent dans les régions desservies par des eNodeBs différentes, la SGW sert de point
d'ancrage de mobilité veillant à ce que le chemin de données soit maintenu.
3.2.3. PDN Gateway (PGW)
La passerelle LTE/SAE PDN assure la connectivité pour l'UE à des réseaux de paquets de
données externes, remplissant la fonction d'entrée et de sortie pour les données UE. L'UE peut disposer
d'une connectivité avec plus d'un PGW pour l’accès à des PDNs multiples.

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3.2.4. Home Subscriber Server (HSS)
Avec la technologie LTE, le HLR est réutilisé et renommé HSS. Le HSS est donc un HLR évolué qui
contient l’information de souscription pour les réseaux GSM, GPRS, 3G, LTE et IMS. A la différence de la
2G et de la 3G où l’interface vers le HLR est supportée par le protocole du monde SS7, MAP, l’interface
S6 s’appuie sur le protocole du monde IP, DIAMETER. Le HSS est une base de données qui est utilisée
simultanément par les réseaux 2G, 3G, LTE/SAE et IMS appartenant au même opérateur. Il supporte
donc les protocoles MAP (2G, 3G) et DIAMETER (LTE/SAE, IMS).
3.2.5. Policy and Charging Rules Function (PCRF)
La PCRF est le nom générique de l'entité au sein de la LTE SAE/EPC qui détecte les flux de
service et applique la politique de tarification. Pour les applications qui nécessitent une politique
dynamique de tarification ou de contrôle, un élément du réseau intitulé Applications Function, AF est
utilisée.

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Chapitre II
Interfaces et Protocoles
Le but de ce chapitre est d’entrer dans les détails de l’architecture du LTE et plus
particulièrement l’E-UTRAN. Pour ce faire, ce chapitre décrira avec détail les entités fonctionnelles du
réseau ainsi que les interface et protocoles. On s’intéressera plus à l’interface radio du réseau.
1. Architecture générale
La figure suivante présente une vue simplifié de l’architecture EPS. Tous les nœuds et interface
du réseau y sont représentés. Elle met en lumière les interactions et signalisations au niveau usager ainsi
que la connectivité data et l’aspect architectural.
L’interface X2 ne doit pas être vue comme une simple interface point-a-point entre deux
eNodeBs, mais plutôt comme une interface maillée. Cette interface optionnel a été défini dans le but de
transporter les paquets entre eNodeBs et de limiter les pertes de paquets dans le cas d’une mobilité
d’utilisateur Intra E-UTRAN.
L’interface S1 à sont tour, n’est pas une simple interface entre un eNodeB et un MME/Serving
Gateway, puisque un eNodeB peut être connecté à un ou plusieurs MME. Cette flexibilité est connue
sous le nom de S1-flex (équivalent à l’Iu-flex 3G/UMTS).
Puisque le MME et le Serving GW sont déployés dans des boîtes physiques séparées, l’interface
S1 est divisée en deux parties
 L’interface S1-U (Pour le plan usager) qui transporte les données utilisateur entre l’eNodeB et le
Serving GW.

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 L’interface S1-C (Pour le plan de contrôle) qui transporte uniquement la signalisation entre
l’eNodeB et le MME.
Figure 2.01 : Architecture de l’EPS – Les connectivités dans le plan usager et contrôle.
1.1. Evolutions des différents nœuds dans le LTE
L’eNodeB est l’unique nœud logique présent dans l’E-UTRAN. Les principaux fonctions que
l’eNodeB supports sont les suivantes :
 Radio Bearer Management, qui inclut l’établissement et le libération des supports de
données radio (Radio Bearer) ainsi que les fonctions de la gestion des ressources radio
pour le contrôle de l’admission ainsi que l’allocation des supports de données. Cet
ensemble de fonctions est sous le contrôle du MME à travers l’interface S1 pendant
l’établissement, la libération et la modification de la session
 L’interface radio de transmission et de réception qui inclut la modulation/démodulation
ainsi que le codage/décodage du canal radio.
 La gestion dynamique des ressources radio en Uplink et Downlink et l’Ordonnancement
(Scheduling) des paquets data – est la fonction la plus critique qui requière que l’eNodeB
fait face à plusieurs contraintes dans le but d’être capable de multiplexer différents flots
de données sur l’interface radio d’utiliser les ressources disponibles de façon optimal.
 Radio Mobility Management, qui s’occupe de la mobilité du terminal lorsqu’il est dans
l’active state. Ceci doit être distingué du Mobility Management qui est une fonction gérée
par le Packet Core.

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 Chiffrement et compression des entête IP des données usager est la fonction c lé de la
transmission de données sur l’interface radio. Elle répond aux besoins de sécurité sur
l’interface radio et la transmission de paquets IP de façon optimal.
 Sécurité de la signalisation réseau, à cause de la sensibilité des messages de signalisation
échangés entre eNodeB et le terminal ou entre le MME et le terminal. Toutes ces
informations sont protégées contre l’écoute et l’altération.
 L’ordonnancement et la transmission des informations Broadcast, qui est présente de
tous, ou presque, les réseaux cellulaire.
 L’ordonnancement et la transmission des messages de paging, cette fonction est
essentielle pour pouvoir localiser le mobile.
L’eNodeB est défini par le 3GPP en utilisant le traditionnel modèle OSI en couche. De cette
perspective, tous les fonctions décrit au-dessus sont gérées par les différents couches, comme la
couche physique, la couche lien de donnés RLC/MAC ou la couche de signalisation Radio Resource
Control.
L’EPC quant à lui, comprends quatre nœuds logiques à savoir le HSS (Home Subscriber Server), le
MME (Mobility Management Entity) et deux passerelles associées au plan usager Serving GW et Packet
Data Network GW. Chacun de ces entités supportes des fonctions évolués.
L’architecture de l’E-UTRAN a introduit des modifications sur la localisation des principales
fonctions dans le réseau. Par conséquent, il y a quelques différences dans la façon les paquets sont
gérés. Ces changements sont présentés dans la Figure 2.01, qui se focalise sur le lien descendant du plan
Usager. La séparation entre le RNC et le NodeB dans l’architecture de l’UMTS implique que la gestion
des paquets de données nécessite deux buffers séparés. Ce qui nécessite l’implémentation d’un
mécanisme à fin d’éviter le NodeB buffer overflow ou le manque de donnée au niveau du NodeB.

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Figure 2.02 : Différence entre UMTS et EPS sur le lien descendant du plan Usager.
Dans le LTE, la compression et le chiffrement sont tous les deux supportés par la couche PDCP
localisée dans l’eNodeB. Puisque, tous les mécanismes de retransmission sont localisés dans l’eNodeB,
le traitement des paquets de données nécessite un seul buffer. Par ailleurs, et dans le cas de l’E-UTRAN
les données du buffer peuvent être transférées entre eNodeBs, ce qui aide à minimiser les probabilités
de pertes de paquets.
1.2. Les interfaces réseau de l’E-UTRAN
Le but de cette partie est de fournir les informations général sur les interfaces réseau S1 et X2 de
l’E-UTRAN. Ces deux interfaces suivent le même modèle qui est décrit dans la figure 2.03.
De même qu’en 3G/UTRAN, le modèle de l’interface réseau de l’E-UTRAN est composé de deux
parties principales : la couche Radio Network – qui englobe les protocoles couches hautes de l’interface
– et la couche Transport Network – qui réfère uniquement à la façon dont les donnés de la couche Radio
Network sont transportés. Cette séparation assure une indépendance entre les deux couches.
En plus de la séparation selon le modèle OSI, chaque interface est divisée en deux plans, le plan
usager (User plane) et le plan de contrôle (Control plane).

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Le plan usager transporte toutes les informations considérées comme des données utilisateur,
du point de vue de l’interface. Ceci consiste en des données purement usager comme les paquets de
voix et vidéos ou la signalisation de niveau application (comme SIP, SDP or RTCP). Avant la transmission
sur l’interface, les différents paquets sont tous simplement envoyés à la couche Transport. C’est ce qui
explique l’absence de tout protocole dans la couche Radio Network qui correspond au plan usager.
Le plan de contrôle s’occupe tous les messages et les procédures strictement liés aux
fonctionnalités prises en charge par les interfaces. Ceci inclut par exemple, les messages de contrôle
pour la gestion du handover ou la gestion des porteuses (supports).
La couche physique, fait partie de la couche transport. Elle commune aux deux plans. A part cela,
les plans usager et contrôle utilise des protocoles spécifique qui définissent ainsi une pile de transport et
des porteuses (support de données) différents et indépendant pour chaque couche. L’information dans
le plan de contrôle est soumise à des contraintes de sécurité, de fiabilité, et de perte de données alors
que dans le plan usager l’information est routée à l’aide de protocoles simples et moins sécurisés.
Comme en 3G/UTRAN, les interfaces de l’E-UTRAN sont entièrement « open », ce qui veut dire
que S1 et X1 sont complètement définit par 3GPP et que chaque équipementier doit se conformer aux
spécifications dans l’implémentation des différents équipements. Ceci permet- en principe – le
déploiement des eNodeBs de différents équipements en un seul réseau et interconnectés à via
l’interface X2. Il en de même pour l’interconnexion entre l’E-UTRAN et l’EPC.
Figure 2.03 : Le modèle d’une interface E-UTRAN.

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1.2.1. Interface S1
L’interface S1-U (ou S1 User plane interface – L’interface S1 pour le plan usager) transporte les
paquets utilisateurs entre le eNodeB et le Serving GW. Cette interface utilise une simple pile de
protocole de transport « GTP over UDP/IP » qui ne fait qu’encapsuler les données de l’usager. Il n’existe
ni contrôle de flux ou contrôle d’erreur, ou tout autre mécanisme de garantie de livraison de données
sur l’interface S-U.
Le GTP (GPRS Tunneling Protocol) est actuellement hérité des réseaux 2G/GPRS et 3G/UMTS.
Dans les réseaux 3G, GTP est utilisé entre les nœuds GPRS (SGSN et GGSN). En 3G, GTP est aussi utilisé
dans l’interface Iu-PS (entre RNC et le SGSN).
L’interface S1-C (ou S1 Control plane interface – L’interface S1 pour le plan de contrôle) est utilisé
pour la signalisation. Elle supporte un certains nombre de fonctions et procédures entre eNodeB et le
MME. Toutes les procédures de signalisation du S1-C appartiennent à l’un des quatre groupes suivants :
 Procédures du Bearer-level, ce groupe comprend toutes les procédures relatives à
l’établissement, modification et de libération de supports (porteuses). Une porteuse correspond
à un segment S1 d’une session, plus le chemin de l’interface radio. Ces procédures sont utilisées
pendant l’établissement et la libération d’une session de communication.
 Procédures du Handover – qui englobent tous les fonctions S1 relative à la mobilité des
utilisateurs en l’eNodeB ou avec les technologies 2G ou 3G.
 Transport de signalisation NAS – ceci corresponds au transport de signalisation entre le terminal
et le MME à travers l’interface S1. Le lien de signalisation entre le terminal et le MME est aussi
appelé NAS (Non Access Stratum signalling) , puisqu’il est n’est pas visible pour l’eNodeB. Vue
l’importance de ces messages, ils sont transporté sur la S1-C en utilisant des procédures
spécifiques, au lieu de la S1-U GTP qui présente peu de garanties.
 Procédure de Paging – qui est utilisé dans le cas d’un usager en fin de session. A travers la
procédure du paging, le MME demande à l’eNodeB de chercher le terminal dans un nombre
donné de cellules.
L’interface S1-C doit fournir un haut niveau de fiabilité dans le but d’éviter les messages de
retransmission et des retards dans l’exécution des procédures du plan de contrôle.
Selon le déploiement du réseau de transport, il y a certains cas où le transport UDP/IP n’est pas
suffisamment fiable. Par ailleurs, dans le cas où le réseau de transport n’appartient pas à l’opérateur
mobile, il se peut que la qualité de service (QoS) ne soit pas garantie tout le temps. C’est pour cette
raison que l’interface S1-C utilise une couche de transport de réseau, qui est mise en place de bout-en-
bout. Dans l’architecture LTE, ce service est assuré par le SCTP (Stream Control Transmission Protocol).
Dans l’interface S1, le SCTP est utilisé sur la couche réseau IP d’habitude. Il y a une seule
association par instance de l’interface S1. Sur cette relation, un seul flux SCTP est utilisé pour toutes les

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procédures communes (procédure du paging par exemple) entre deux équipements. En ce qui concerne
toutes les procédures dédiées -qui comprennent toutes les procédures qui s'appliquent à un contexte
de communication spécifique - elles sont toutes prises en charge sur un nombre limité de flux SCTP.
Le réseau de transport des interfaces S1 et X2 fait usage de la couche réseau IP à la fois pour le
plan usager et plan de contrôle. En plus des services basic garantie par ce protocole, L’IP dans E-UTRAN
doit aussi supporter les services suivants :
 NDS/IP (Network Domain Security for IP) – qui fait référence à un group de dispositifs de
sécurité de niveau IP défini par 3GPP pour l’échange de données entre les éléments du
réseau.
 Diffserv (Differentiated Services) – qui est une architecture réseau qui spécifie un
mécanisme pour classer et contrôler le trafic tout en fournissant une qualité de service.
1.2.2. Interface S1 Felxibility
Dans les réseaux 2G et 3G traditionnels, la connectivité entre le réseau cœur et le réseau d’accès
a été définie selon une hiérarchie « un-à-plusieurs ». Dans la Release 5, un nouveau dispositif a été
introduit, rendant flexible l’interconnexion entre le réseau d’accès et le réseau cœur. Ce même principe
a été introduit, dès le début, dans l’architecture du LTE. Ce standard porte le nom de « S1-flex ».
Comme présenté dans la figure, l’interface S1-flex permet à un eNodeB de se connecter à plus
d’un seul nœud MME ou Serving GW. De cette même figure, pour simplifier le MME et Serving GW sont
combinés en un seul nœud, mais la S1 flexiblity s’applique à la fois au MME et le Serving GW.
Bien qu’un eNodeB puisse être connecté à plusieurs MME, un terminal mobile est associé à un
unique MME à la fois. Ceci est dû au fait que les sessions d’un utilisateur sont toujours sous le contrôle
d’un seul MME.

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Figure 2.04 : La connectivité Access-Core traditionnelle et le S1-flex.
S1 flexiblity présente plusieurs avantages :
 En étendant la couverture des nœuds du réseau cœur à plusieurs cellules, le S1-flex réduit le
nombre de handover inter-Core Network. Par ailleurs, le MME maintient la connectivité avec le
mobile tant qu’il est dans la même « pool area». Par conséquence, le S1-flex aide à réduire le
nombre de chargement dans le HSS généré par le changement dans le MME.
 Le standard S1-flex aide à définir une architecture réseau partagé par différents opérateurs. Par
exemple, un nombre donné d’eNodeBs peuvent être partagé entre deux opérateurs. Dans ce cas,
quand le terminal essai de s’enregistrer, l’eNodeB transmet le message d’enregistrement initial
au MME qui corresponds au réseau de l’opérateur de l’abonné.
 S1 flexiblity permet au réseau de devenir plus robuste quant aux échecs du réseau cœur. En
effet, les pertes d’un réseau cœur seront compensées par les autres nœuds associés aux mêmes
« pool areas ».
 En ouvrant la possibilité d’un eNodeB à se connecter à un ou plusieurs MME présente quelques
avantages dans l’amélioration de la capacité du réseau et la gestion de la charge réseau.
1.2.3. Interface X2
Le rôle l’interface X2-U (X2 User plane interface – L’Interface X2 du plan usager) est de
transporter les paquets de données entre eNodeBs. Elle est utilisée dans une durée limitée en temps,
quand le terminal se déplace d’un eNodeB à un autre. Par ailleurs, cette interface permet de transférer
les paquets de données mis dans les mémoires tampons (buffers) entre eNodeBs. X2-U utilise le même
protocole de tunneling GTP, déjà utilisé dans l’interface S1-U.

Long Term Evolution
19
L’interface X2-C (X2 Control plan interface – l’interface X2 du plan de contrôle) est une interface
de signalisation. Elle supporte un groupe de fonctions et procédures entre eNodeBs. Les procédures de
l’interface X2-C sont très limité en nombre et ils sont toutes relative à la mobilité des usagers entre
eNodeB, dans le but d’échanger les informations sur le contexte de l’usager entre les différents nœuds
(porteuses alloués, sécurité…).
Par ailleurs, l’interface X2-C propose la procédure du « Load Indicator » dont le dut est de
permettre à un eNodeB de signaler sa condition de charge aux eNodeBs voisins. Le but de cette
procédure est d’aider à supporter la gestion du balancement de la charge ou d’optimiser les seuils du
handover ainsi que les décisions du handover.
Le besoin d’un transport de signalisation fiable entre les nœuds est le même que dans l’interface
S1-C. C’est pour cette raison que l’interface X2-C utilise aussi une couche de transport type « SCTP over
IP ».
2. Les plans usager et de contrôle
Cette partie décrira de façon globale la structure des protocoles de bout en bout du LTE pour le
plan usager et le plan de contrôle, qui correspondent respectivement à transmission des données
utilisateurs et la transmission de signalisation.
2.1. L’architecture du plan usager
Du point de vue réseau sans fil - y compris le réseau d'accès et cœur - le plan de usager ne
comprend pas seulement les données des utilisateurs tels que les paquets de voix ou de contenu Web,
mais aussi la signalisation associées aux services d'application tels que le SIP ou RTCP. Cependant bien
qu’elle soit considérée comme une information de contrôle par les couches d’application, la
signalisation des couches hautes est transmise via le plan usager.
Le plan usager de bout en bout est décrit dans la Figure 2.05 (Du terminal jusqu’au serveur
d’application). Dans cette image, la couche application, présente uniquement dans le terminal et le
serveur d’application, est basé sur un transport IP. Les paquets de niveau application sont routés à
travers le Packet Core Gateways, avant d’atteindre leurs destinations. Dans cet exemple, la couche
application peut comporter un grand nombre de protocole comme les protocoles de transports de bout
en bout (TCP ou UDP) et RTP (Real Time Protocol) pour le transport de données et les protocoles de
signalisation de niveau application (SIP, SDP, RTCP, etc.). Par ailleurs, L1 et L2 sont référence
respectivement au lien physique et données des interfaces S1, S5 et SGi. Pour ces couches, le standard
LTE est assez flexible et propose plusieurs options appropriés aux réseaux IP.

Long Term Evolution
20
Figure 2.05 : La pile protocolaire du plan usager.
2.2.L’architecture du plan de contrôle
Le plan de contrôle correspond aux flux d’information considérés par E-UTRAN et EPC comme
flux de signalisation. Par exemple, il inclut tous les messages de signalisation du RRC1
(Radio Resource
Control) qui supporte des fonctions tels que Radio Bearer Management, la mobilité radio, paging des
utilisateurs. Par ailleurs, ce plan comprend aussi la signalisation du NAS (Non Access Stratum) qui fait
référence aux fonctions et services indépendant de la technologie d’accès. On verra plus tard, qu’il
comprend aussi les couches GMM (GPRS Mobility Management) et SM (Session Management) en
charge de toutes les procédures de signalisation entre le terminal de l’utilisateur et MME pour les
session et la gestion des porteuses, contrôle de sécurité ainsi que l’authentification.
La Figure 2.06 décrit la pile protocolaire du plan de contrôle. La pile s’arrête jusqu’au niveau du
MME, parce que les protocoles des couches-hautes se termine au niveau du MME. Sur l’interface radio,
le plan de contrôle utilise les mêmes piles PDCP, RLC, MAC and PHY, qui seront présenté dans la
prochaine section, pour transporter à la fois RRC et la signalisation NAS du réseau cœur. Les couches
RLC, MAC et PHY support les même fonctions à la fois pour le plan usager et le plan de contrôle.
Cependant ceci ne veut pas dire que les informations du plan usager et le plan de contrôle sont
transmis de la même façon. Plusieurs porteuses radio (Radio bearers) peuvent être établit entre le
terminal et le réseau, chacune d’elle correspond à schéma de transmission spécifique, une protection
radio et un traitement prioritaire. C’est le but des canaux radio, qui seront présenté dans la prochaine
section.
1
Voir 3 de ce chapitre

Long Term Evolution
21
Figure 2.06 : Pile protocolaire du plan de contrôle.
3. Les protocoles de l’interface Radio
L’interface radio est distinguée de la transmission filaire par le coût et la rareté du spectre, ainsi
le taux d’erreur très élevé de la transmission. A cause de ces caractéristiques, la pile protocolaire de
l’interface radio est très spécifique. Il est composé des couches suivantes :
 PHY (Physical Layer).
 MAC (Medium Access Control) en charge de l’ordonnancement des paquets et la répétition
rapide.
 RLC (Radio Link Control) est responsable de la transmission fiable de données.
 PDCP (Packet Data Convergence Protocol) qui fournit le protocole de compression d’entête et
implémente le cryptage de données.
L’interface radio E-UTRAN est décrite selon le modèle OSI. Avec une couche physique (Layer1)
qui implémente la partie PHY et une couche liaison de données qui supporte le RLC et MAC.
3.1.Architecture en couche radio de l’E-UTRAN
La Figure 2.07 donne une vue global sur la structure du protocole radio. Elle décrit brièvement la
rôle de chacune des différentes couches et comment elle interagissent avec les autres. Cette figure
décrit uniquement les couches protocolaires dans la partie eNodeB, mais les mêmes fonctions et
couches existent sur la partie station mobile.
A partir du haut de la figure, la couche RRC (Radio Resource Control) supports toutes les
procédures de signalisation entre le UE et l’eNodeB. Ceci inclut les procédures de mobilités et la gestion
de connexion. Les signalisations venant du plan de contrôle de l’EPC sont transférés au terminal à
travers le protocole RRC, d’où le lien entre le RRC et les couches supérieures.

Long Term Evolution
22
La couche PDCP dont le rôle est de fournir le protocole de compression d’entête et implémente
le cryptage de données. Cette couche supporte les porteuses radio. Chaque porteuses correspond à un
flux d’information comme les données du plan usager ou les signalisations du plan de contrôle. Du à
leurs but spécifique et leurs manipulation, les flux d’information généré par les fonctions ‘System
Information Broadcast’ et ‘Paging ‘ sont transparent à la couche PDCP.
La couche RLC fournit à la couche PDCP les services basique de la couche 2 du modèle OSI,
comme la segmentation des données paquet et l’ARQ (Automatic Repeat Request) pour le mécanisme
de correction d’erreur. Il y a un mappage un-à-un entre les le flux d’entrée du RLC et les canaux logiques
fournit par le RLC à la couche MAC
Le but principale est la couche MAC est de mapper et multiplexer les canaux logique sur les
canaux de transport après avoir performer les manipulations de priorité sur les flux de données reçu
par la couche RLC. La couche MAC supporte aussi HARQ (Hybrid ARQ) qui est un processus de répétition
rapide. Finalement, la couche MAC délivre les flux de transport à la couche PHY, qui appliquera la
codage canal et la modulation avant la transmission sur l’interface radio.
Figure 2.07 : Structure protocolaire en couche dans l’eNodeB pour les canaux de downlink.

Long Term Evolution
23
3.2. Les canaux radio
L’interface radio E-UTRAN doit être capable de transmettre des informations à haut débit et à
faible temps de latence. Cependant, pas tous les flux d’information ne nécessitent la même protection
face aux erreurs de transmission ou la manipulation de la Qualité de Service (QoS). Les messages de
signalisations E-UTRAN doivent être transmis le plus rapidement possible en utilisant le meilleur schéma
de protection contre les erreurs, car ils sont critique dans le cas d’une mobilité radio. D’un autre coté, la
voix et les données peuvent tolérés un frame loss raisonnable, due à la transmission radio.
Dans le but d’être flexible et permettre différents schéma pour la transmission de données, les
spécifications de l’E-UTRAN ont introduit plusieurs types de canaux :
 Les canaux logiques – ce qui est transmit.
 Les canaux de transport – comment est transmit.
 Les canaux physiques.
3.2.1. Canaux logiques
Les canaux logiques correspondent aux services de transfert de données offert par les protocoles
des couches hautes de l’interface radio. Il y a uniquement deux types de canaux logiques : les canaux de
contrôle, pour les transferts des informations du plan de contrôle et les canaux de trafic pour les
transferts des données utilisateur du plan usager. Chacun des canaux de ces deux catégories
corresponds à un certain type de flux d’information.
Les canaux logiques de contrôles dans l’E-UTRAN sont :
 BCCH (Broadcast Control Channel) est un canal commun en downlink, utilisé par le réseau pour
broadcaster les informations système de l’E-UTRAN à l’ensemble des terminaux présents dans
une cellule radio. Ces informations sont utilisées par le terminal, par exemple pour connaitre
l’opérateur, pour avoir des informations sur la configuration des canaux commun de la cellule et
comment accéder au réseau, etc.
 PCCH (Paging Control Channel) est un canal commun en downlink qui transfert les informations
de paging aux terminaux présente dans une cellule.
 CCCH (Common Control Channel) est utilisé pour la communication entre le terminal et l’E-
UTRAN quand la connexion RRC. Ce canal est typiquement utilisé dans les premières phases de
l’établissement de communication.
 MCCH (Multicast Control Channel) est utilisé pour la transmission des informations MBMS
(Multimedia Broadcast and Multicast Service) du réseau à plusieurs terminaux.
 DCCH (Dedicated control Channel) est un canal point-à-point bidirectionnel qui supporte les
informations de contrôle entre un terminal donné et le réseau. Il supporte uniquement les
signalisations RRC et NAS.
Les canaux logiques de trafic sont :

Long Term Evolution
24
 DTCH (Dedicated Traffic Channel) est un canal point-à-point bidirectionnel utilisé entre un
terminal donné et le réseau. Il peut supporter la transmission des données utilisateurs qui inclut
les données elles mêmes et la signalisation de niveau application associée à ce flux de données.
 MTCH (Multicast Trafic Channel) est un canal de données point-à-multipoint pour la transmission
de trafic de données du réseau à un ou plusieurs terminaux. Comme pour le MCCH, ce canal est
associé au MBMS.
3.2.2. Canaux de transport
Les canaux de transport décrivent pourquoi et avec quelles données caractéristique sont
transférés à travers l’interface radio. Par exemple, les canaux de transport décrivent comment les
données sont protégées contre les erreurs de transmission, le type de codage canal, la protection CRC
qui est utilisée, la taille des paquets de données envoyés sur l’interface radio, etc. Cet ensemble
d’information est connu sous le nom de ‘Transport Format’.
Comme décrit dans les spécifications, les canaux de transports sont classifié en deux catégories :
les canaux de transport downlink et les canaux de transport uplink.
Les canaux de transport E-UTRAN en downlink sont :
 BCH (Broadcast Channel) est associé au canal logique BCCH. Il un ‘Transport Format’ fixé et
prédéfini et doit couvrir l’ensemble de la cellule.
 PCH (Paging Channel) associé au BCCH.
 DL-SCH (Downlink Shared Channel) qui est utilisé pour transporter le contrôle d’usager ou le
trafic data.
 MCH (Multicast Channel) qui est associé au MBMS pour le contrôle des informations de
transport.
Les canaux de transport E-UTRAN en uplink sont :
 UL-SCH (Uplink Shared Channel) qui est l’équivalent du DL-SCH en uplink.
 RACH (Random Access Channel) qui est un canal de transport spécifique supportant un contrôle
d’information limité. Il est utilisé durant les premières phases d’établissement de communication
ou dans le cas du changement d’état du RRC.
3.2.3. Canaux physique
Les canaux physiques sont l’implémentation des canaux transport sur l’interface radio. Leur
structure dépend étroitement des caractéristiques de l’interface physique OFDM.
Les canaux physiques en downlink sont :
 PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) qui transporte les données usager et la signalisation
des couches hautes.

Long Term Evolution
25
 PDCCH (Physical Downlink Control Channel) qui transport les assignations d’ordonnancement
pour le lien montant.
 PMCH (Physical Multicast Channel) qui transporte l’information Multicast/Broadcast.
 PBCH (Physical Broadcast Channel) qui transporte les informations système.
 PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) qui informe l’UE sur le nombre de symboles
OFDM utilisé pour le PDCCH.
 Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) qui transporte les ACK et NACK des réponses de
l’eNodeB aux transmissions en uplink relative au mécanisme HARQ.
Les canaux physiques en uplink sont :
 PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) qui transporte les données utilisateur et la signalisation
des couches hautes.
 PUCCH (Physical Uplink Control Channel) transporte les informations de contrôle, comprends les
réponds ACK et NACK du terminal aux transmissions downlink, relative au mécanisme HARQ.
 PRACH (Physical Random Access Channel) qui transporte le préambule de l’accès aléatoire
envoyé par les terminaux au réseau d’accès.
En plus des canaux physiques, la couche physique utilise des signaux physiques et qui sont les :
 Signaux de référence (Reference signals) – un seul signal est transmit par port d’antenne
downlink.
 Signaux de synchronisation (Synchronization signals) – divisé en signaux primaire et secondaire
de synchronisation.
3.2.4. Mappage entre les canaux
La figure ci-dessous présente le mappage entre les canaux logiques, de transport et physiques.
Toutes les combinaisons ne sont pas permises, car certains canaux logiques ont des contraintes
spécifiques.

Long Term Evolution
26
Figure 2.08 : Mappage entre canaux de l’E-UTRAN.
3.3. La couche PHY
Le rôle de la couche PHY est de fournir des services de transport de données sur les canaux
physique pour les couches RLC et MAC hautes. La figure suivante décrit le modèle en couche physique
de l’eNodeB dans le cas d’un canal de transport SCH. Un modèle similaire existe pour l’uplink et les
autres canaux de transport déjà cités.
Lors de chaque TTI (Transmission Time Interval) la couche physique reçoit un certain nombre de
‘Transport Blocks’ pour la transmission. Chaque ‘Transport Block ‘ lui sera ajouté une CRC (Cycle de
contrôle de redondance) ou un ensemble de bits pour la détection des erreurs de transmission. Ensuite
les blocs sont protégés avec un codage canal robuste. Cette phase est sous le contrôle du processus
MAC HARQ (Hybrid ARQ) qui adapte le taux de codage canal en se basant sur les informations fournit
par l’entité réceptrice.
Le processus ‘Interleaving’ ou entrelacement permet d’améliorer la robustesse face aux erreurs
de transmission radio. Ce processus permet au décodeur canal de récupérer exactement, les mêmes bits
transmirent initialement. Le processus de modulation des données quant à lui, il est sous le contrôle de
l’ordonnanceur MAC. Pour les opérations du CRC et entrelacement, la couche PHY utilise des
paramètres statiques et des algorithmes spécifiés par le standard E-UTRAN.

Long Term Evolution
27
Figure 2.09 : Le modèle de la couche PHY du Downlink Shared Channel.
3.4. La couche MAC
Le but principale de la couche MAC (Medium Access Control) est de fournir un couplage efficace
entre les services de la couche RLC 2 et la couche physique. De cette perspective, la couche MAC
supporte quatre fonctions principales :
 Le mappage entre les canaux logiques et de transport. En effet, quand le standard offre
différents options pour le transport de données pour un canal logique donné, la couche MAC
s’occupe de choisir le canal de transport selon la configuration choisi par l’opérateur.
 La sélection du format de transport – qui fait référence par exemple, au choix la taille du
‘Transport Block’ et le schéma de modulation.
 Gestion de propriété entre les connais logique d’une terminale ou entre plusieurs terminaux.
 Correction d’erreur à travers le mécanisme HARQ.
3.5.La couche RLC
L’objectif principale de la couche RLC (Radio Link Control) est recevoir/délivrer les paquets de
données des/aux autres entités RLC pairs. Pour ce, la couche RLC propose trois modes de transmission
TM (Transport Mode), UM (Unacknowledged Mode) et AM (Acknowledged Mode).
Le mode TM est le plus simple, il ne change pas les données des couches hautes. Ce mode est
spécialement utilisé pour la transmission du BCCH ou PCCH. Entité RLC Transparent Mode reçoit les
données des couches hautes et les passe directement à la couche MAC. Le mode UM quant à luit,
rajoute la détection des pertes des paquets et leurs réorganisation et ré-assemblement. Finalement, le
mode AM – le plus compliqué des trois – supporte, supportes les fonctionnalités du mode UM. Aussi, la
capacité de demandes à ses pairs la retransmission de paquets dans le cas ou une perte est détectée. Ce

Long Term Evolution
28
mécanisme est spécifique au mode AM est connu sous le nom de ARQ (Automatic Repeat Request).
Pour cette raison, le mode AM s’applique uniquement aux canaux logiques DCCH et DTCH.
3.6. La couche RRC
La couche RRC (Radio Resource Control) est la couche clé dans le processus de signalisation. Elle
supporte plusieurs fonctions entre le terminal et l’eNodeB. Les procédures proposé par la couche RRC
peuvent être classifié comme suit :
 La gestion de connexion RRC qui inclut l’établissement et la libération de la connexion RRC entre
le terminal et l’eNodeB.
 L’établissement et la libération des ressources radio – qui est relié à l’allocation des ressources
pour le transport des messages de signalisation ou les données utilisateurs entre le terminal et
l’eNodeB.
 Broadcast des informations système – réalisé à travers le canal logique BCCH.
 Paging – qui est réalisé à travers le canal de control logique PCCH.
 Transmission des messages de signalisation vers et à partir du EPC – ces messages sont traité par
le RRC de façon transparent.
 Mesures de contrôle – qui fait référence aux configurations des mesures réalisé par le terminal
ainsi que la méthodes de les rapporter à l’eNodeB.
 Support des procédures de mobilités inter-cell ou le handover.
 Le contexte utilisateurs transféré entre eNodeB lors d’un handover.
3.7.La couche PDCP
Le but principale de la couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) est de recevoir/délivrer
les paquets de données de/vers les entités PDCP paires. En principe, cette fonction est assurée par la
couche RLC. De cette perspective, la couche PDCP fournit des fonctionnalités additionnelles.
La valeur ajoutée de la couche PDCP repose sur quatre fonctions principales :
 Fonctionnalités relatives à la couche 2, comme réorganisation des paquets RLC dans le cas d’une
mobilité inter-eNodeB, la détection des doublets de paquets RLC.
 Compression et décompression des entêtes des paquets IP. Le PDCP supporte un unique schéma
de compression ROHC (Robust Header Compression).
 Chiffrement des données et de la signalisation. ‘Données’ relative aux données utilisateurs et la
signalisation de la couche application comme le SIP ou RTCP. ‘Signalisation’ fait référence aux
messages de signalisation RRC et les messages de signalisation NAS.
 Protection de l’intégrité des signaux. En donnant à la partie qui reçoit, le moyen de déterminer
si le message de signalisation a été altéré durant la transmission ou non.

Long Term Evolution
29
3.8. Protocoles NAS
La Figure 2.10 le modèle AS/NAS utilisé dans le LTE. Ce modèle, présente deux zone, la zone AS
(Access Stratum) et la zone NAS (Non-Access Stratum).
Le NAS correspond aux fonctions et procédures qui sont complètement indépendant la
technologie d’accès. Ceci inclut des fonctionnalités comme :
 Gestion de session, qui inclut l’établissement, modification et la libération de session, ainsi que
les négociations de Quality of Service.
 Gestion des abonnées, qui correspond à la gestion des données utilisateur.
 Gestion de sécurité – qui inclut une authentification utilisateur-réseau mutuelle, ainsi que
l’initiation du chiffrement.
 Facturation.
En 2G/GSM, les fonctionnalités NAS supportées par deux groupes de protocoles, les couches
GMM (GPRS Mobility Management) et SM (Session Management) définis par les spécifications 3GPP.
Quelques ajouts ont était introduit, comme la gestion du QoS, mais le reste est une duplication des
couches NAS hérités du GSM.
La couche GMM est en charge des mobilités des terminaux usager. Dans ce contexte, le terme
‘mobilité’ ne fait pas référence à la mobilité radio, comme le handover entre cellules, qui est déjà
supporté par l’E-UTRAN. La couche GMM fait référence à la gestion de localisation du terminal. Par
ailleurs, la couche GMM supporte quelques fonctions de sécurité comme l’authentification mutuelle,
l’activation du chiffrement et la protection d’intégrité et enfin la gestion des états du terminal.
La couche SM est construite au-dessus la couche GMM et utilise les services GMM pour la
gestion des sessions. La fonction principale de la couche SM est de supporter la gestion du contexte du
terminal usager PDP (Packet Data Protocol) et la gestion de porteuse entre le terminal et le SGSN. Ceci,
inclut les procédures d’activation modification et la désactivation de session et le porteur associé.
Figure 2.10 : Le modèle Access et No-Access Stratum.

Long Term Evolution
30
Chapitre III
l’Interface Radio du LTE
1. Introduction
Depuis les années 90, les réseaux cellulaires ont connu un certain nombre d’évolutions (de la
seconde génération à la 3G+) offrant des débits toujours plus importants et permettant le
développement de nouveaux services en plus de la transmission de la voix .
La LTE a introduit un certain nombre de nouvelles technologies, permettant l'emploie efficace
du spectre et fournissant des débits beaucoup plus élevés. Ainsi, la LTE a utilisé la technologie OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplex) en tant que porteur du signal et les régimes d'accès associés,
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex Access), SC-FDMA (Single Frequency Division Multiple
Access) et MIMO (Multiple Input Multiple Output).
2. Orthogonal Frequency Division Multiplex
2.1 Modulation Single Carrier et Egalisation
Le retard induit par le phénomène de trajets multiples peut provoquer l’interférence entre un
symbole reçu le long d'un chemin d'accès retardé et un symbole ultérieure arrivant au niveau du
récepteur grâce à un trajet plus direct. Cet effet est dénommé interférences entre-symboles (IES). Dans
un système à seule porteuse et à des débits très élevés il est possible pour l’IES de dépasser un temps
symbole en entier et le causer le déversement d’un symbole dans un symbole ultérieures.

Long Term Evolution
31
Figure 3.01 : Le multi trajets induit des retards de propagation à l’origine du phénomène.
Chaque chemin de longueur différente et réflexion différente se traduira par un décalage de
phase spécifique. Comme tous les signaux sont combinés au niveau du récepteur, certaines fréquences
dans la bande passante du signal subissent des interférences constructives (combinaison linéaire des
signaux en phase), tandis que d'autres rencontrent des interférences destructives (combinaison linéaire
des signaux hors-phase). Le signal composite reçu est déformée par la fréquence de fading sélectif.
Figure 3.02 : Plus les Delay Spreads sont plus longs plus le cana devient sélectif en fréquence.
Les systèmes single carrier compensent la distorsion de canal via une égalisation dans le domaine
temporel par une des deux méthodes suivantes :
 Inversion du canal : avant d’envoyer l’information, on envoi une séquence déjà connu par le
récepteur, un égaliseur de canal détermine la réponse du canal pour la multiplier après avec les
données reçues pour inverser les effets des trajets multiples.
 Egalisateur Rake : employé dans les systèmes CDMA, il combine des copié de signal numérique
décalé dans le temps pour aboutir à un meilleur SNR.

Long Term Evolution
32
Pour les débits de la LTE (jusqu'à 100 Mbits / s) et les delay spreads ou temps de propagation
(près de 17 μs) L’IES devient beaucoup plus sévère couvrant éventuellement plusieurs périodes de
symbole et l’approche d’égalisation canal devient impraticable.
2.2 Principes de l’OFDM
Le principe de l'OFDM consiste à répartir sur un grand nombre de sous-porteuses le signal
numérique que l'on veut transmettre. Comme si l'on combinait le signal à transmettre sur un grand
nombre de systèmes de transmission (des émetteurs, par exemple) indépendants et à des fréquences
différentes.
Une description d'un modulateur OFDM de base est fournie à la figure 3.03 Il se compose d'une
banque Nc de modulateurs complexe, où chaque modulateur correspond à une sous-porteuse OFDM.
En bande de base, un signal OFDM x(t), en notation complexe, au cours de l'intervalle de temps (m tu
≤ t< (m +1) Tu) peux donc être exprimée par :
Où Xk(t) est la kième sous-porteuse modulée avec la
fréquence fk = k*Δf et ak est le symbole de modulation,
complexe en général, appliquée à la sous-porteuse kième
durant l'intervalle m du symbole OFDM, c'est à dire pendant
l'intervalle de temps (m Tu ≤t < (m+1) Tu). La transmission OFDM est basée sur des blocs, ce qui
implique que, au cours de chaque intervalle d'un symbole OFDM, Nc symboles de modulation sont
transmis en parallèle. Les symboles de modulation peuvent être de n'importe quel alphabet de
modulation, tels que QPSK, 16QAM, ou 64QAM.
Figure 3.03 : Le modulateur OFDM.
Les caractéristiques de base de la
transmission OFDM, qui la
distinguent d'une simple extension
multi-porteuses d'une transmission à
régime étroit, sont les suivants :
 L'utilisation d'un nombre relativement important de sous-porteuses à bande étroite. Par exemple,
une évolution multi-porteuse de WCDMA avec une largeur de bande globale de 20MHz pourrait se
composer de quatre sous-pourteuses, chacun avec une bande passante de l'ordre de 5 MHz. En
revanche, la transmission OFDM peut impliquer plusieurs centaines sur la liaison radio à même le
même récepteur.
 Une impulsion simple de forme rectangulaire comme illustré dans la figure 3.04 correspond à un
spectre sinc-carré par sous-porteuse, comme l'illustré dans la figure 3.05.

Long Term Evolution
33
 Ces sous-porteuses sont serrées dans le domaine fréquentiel; soit un espacement de f = 1/Tu, où
Tu ; est le temps de modulation d'un symbole par sous-porteuse (voir Figure 2.9).
Figure 3.04 : forme des impulsions et le
spectre d’une sous-porteuse OFDM.
Figure 3.05 : espacement des sous porteuses
OFDM.
Pour 3GPP LTE l'espacement sous-porteuse de
base est de 15 kHz. D'autre part, le nombre de
sous-porteuses dépend de la largeur de bande
de transmission, avec dans l'ordre de 600
sous-porteuses en cas de fonctionnement
dans un spectre de 10MHz. Le terme Orthogonal Frequency Division Multiplex est dû au fait que deux
sous-porteuses OFDM modulées xk1(t) et xk2(t) sont orthogonales entre elles au cours de l'intervalle de
temps m Tu ≤t < (m+1) Tu.
Pour que les fréquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre
le maximum d'information sur une portion de fréquences donnée, l'OFDM utilise des sous-porteuses
orthogonales entre elles. Les signaux des différentes sous-porteuses se chevauchent mais grâce à
l'orthogonalité n'interfèrent que peux.
En codage orthogonal, l'espacement entre chaque sous-porteuse doit être égal à :
Δf = fq − fq+1 =
n
T
Hz
Cela implique que l’interaction entre sous porteuses et approximativement nul telle que :
cos⁡(2π fq
T
0
t + φ) ∗ cos 2πfq+1t dt ≈ 0
Où T secondes est la durée utile d'un symbole (c.à.d. la taille de la fenêtre de capture du récepteur), et n
est un entier positif, généralement égal à 1. Par conséquent, avec N sous-porteuses la largeur totale de
la bande passante sera de B ≈ N·Δf (Hz).

Long Term Evolution
34
Le multiplexage orthogonal permet une haute efficacité spectrale, la bande passante étant
quasiment utilisée dans son intégralité. Ce pseudo orthogonalité produit un spectre de fréquence
presque plat (typique du bruit blanc), ce qui entraîne un minimum d'interférences avec les canaux
adjacents. Un filtrage séparé de chaque sous-porteuse n'est pas nécessaire pour le décodage, une
transformée de fourrier FFT étant suffisante pour séparer les porteuses entre elles.
2.3 Avantages de l’OFDM
Pour éliminer l’IES, le symbole OFDM est constitué de deux composantes principales: le CP et
une période FFT (TFFT). La durée du CP est déterminée par le plus haut degré prévu de delay spread .
Lorsque les signaux transmis arrivent au niveau du récepteur par deux chemins de différentes
longueurs, ils sont décalés dans le temps comme la montre la figure ci-dessous :
Figure 3.06 : OFDM Elimine l’IEDS via des périodes symbole plus longues et le préfixe cyclique.
Avec un CP d'une durée suffisante, les symboles précédant ne rejaillissent pas sur la période
FFT(contenant l’information utile), il n'y a que des perturbations causées par les « copies »- échelonnées
dans le temps, du symbole actuel. Une fois la réponse impulsionnelle du canal est déterminée (par
transmission périodique des signaux de référence connus), les distorsions peuvent être corrigées en
appliquant un décalage de base d'amplitude et de phase sous- porteuse par sous-porteuse.

Long Term Evolution
35
Figure 3.07 : La FFT de symbole OFDM révèle des sous-porteuses distinctes.
L’OFDM a deux faiblesses principales par rapport aux systèmes à porteuse unique : la sensibilité
aux erreurs de fréquence porteuse (due soit à l'offset de l’oscillateur local ou aux décalages Doppler) et
un grand rapport puissance crête-à-moyenne du signal (PAPR, Peak-to-Average Power Ratio).
3. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)
3.1 La structure des trames en LTE
Pour remédier aux problèmes de la faible efficacité des réseaux orientés-pacqués où beaucoup
de ressources sont consommées pour la gestion, la période back-off conçue pour minimiser les
collisions est assez longues et le pacqué garde la bande passante complet pendant la transmission et
l’acquittement, la mise en œuvre d’un système plus performant est devenue indispensable. C’est ainsi
que l’OFDMA s’est présenté avec un faible temps de latence et une grande efficacité.
Les trames LTE sont de 10 ms. Ils sont divisés en 10 sous- trames, chaque sous-trame de longueur
1,0 ms. Chaque sous-cadre est divisée en deux slots, chacun de 0,5 ms. Un slot est composé de 6 ou 7
symboles OFDM, selon que le préfixe cyclique normal ou étendu est employé.

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Figure 3.05 : Structure générique de trame LTE.
3.2 Définition du ‘Physical Resource Block’
En LTE, l’espace temps/fréquence est divisé en PRB (Physical Resource Blocks). Chaque PRB est
défini comme étant composé de 12 sous-porteuses consécutives pour un slot (0,5 ms). Un PRB est le
plus petit élément d'allocation des ressources affectées par le planificateur de station de base.
Figure 3.06 : Physical Resource Blocks.
Le nombre total de sous-porteuses disponibles dépend de la largeur de bande de transmission
globale du système. Les spécifications LTE définissent les paramètres de bande passante système à
partir de 1,25 MHz à 20 MHz comme la montre la figure :

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Figure 3.07 : Tableau récapulatif du nombre de PRBs disponibles par bande-passante.
La performance d’un canal secondaire alloué à un utilisateur sera différente de celle d’un autre
utilisateur, puisque les qualités de canal y sont différentes, en fonction des conditions de propagation
individuelles. Ceci veut dire qu’un canal qui a de mauvaises performances avec un utilisateur peut se
révéler favorable à un autre. La technique OFDMA exploite cette caractéristique, du fait qu’elle permet
d’allouer des canaux différents selon les utilisateurs dans une fenêtre temporelle à configuration
variable.
On consacre des ressources aux canaux de contrôles communs qui sont classiquement des
informations sur le réseau, la cellule et les symboles pilotes qui sont utiles pour effectuer l'identification
de la réponse du canal.
Figure 3.08 : Répartition des ressources sur les utilisateurs.
4. Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA)
SC-FDMA est bien adapté aux exigences de LTE en uplink. Il offre des performances et une
complexité globale similaire a l’OFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage
fréquentiel à une seule porteuse.

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La chaine de transmission du SC-FDMA est la suivante :
Figure 3.09 : Chaine de transmission SC-FDMA.
Le SC-FDMA peut être vue comme un OFDMA où des symboles de données de domaine de
temps sont transformés au domaine de fréquence par DFT (Discret Fourier Transform) avant de passer
par une modulation OFDMA.
Les signaux binaires d'entrée sont transformés en signaux complexes à l'aide d'un modulateur en
bande de base dans un format possible de modulation : BPSK, PSK, QPSK et 64-QAM. Ces signaux sont
mis à l'entrée d'un DFT pour transformation dans le domaine fréquentiel. L'utilisation de la DFT a été
choisie pour les raisons suivantes:
 la détection après le IDFT donne un SNR (Signal Noise Ratio) est proportionnellement repartie
sur la bande entière. Car dans le cas d'une détection en OFDMA, le canal ayant subi un bruit aura
un SNR faible et proportionnelle seulement à ce canal contrairement au SC-FDMA où la
détection est faite sur la bande du signal (donnée en domaine temporel)
 la transmission en série des données avec la mono porteuse rend le PAPR faible.
Figure 3.10 : Comparaison entre la détection en SC-FDMA et OFDMA.

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Cette transformée de Fourier discrète produit une représentation de symboles dans le domaine
fréquentiel qui sont transmis au bloc Subcarrier Mapping pour transformation en M sous porteuses
orthogonales. Puis une IDFT a N points permet d’obtenir un unique signal dans le domaine temporel.
L'émetteur effectue deux autres opérations avant la transmission : il insère un ensemble appelé
préfixe cyclique (CP) offrant un temps de garde suffisant pour éviter l'interférence entre bloque transmis
due à la propagation de multi trajets. Généralement, le préfixe cyclique est une copie de la dernière
partie du bloque. Un filtrage linéaire est nécessaire afin de réduire l'énergie du signal. Le filtre utilisé est
un filtre en cosinus sur- élevé.
A la réception, le récepteur transformera le signal reçu en domaine fréquentiel via le
DFT, exécutant ainsi l'égalisation fréquentielle. Puisque le SC-FDMA utilise la modulation mono porteuse
et donc soumis aux interférences inter symbole alors un égaliseur est nécessaire afin de combattre l'ISI
(contrairement au CP qui combat l'interférence entre bloque). Les symboles égalisés sont transformés
via l'IDFT en domaine temporel permettant une détection et un décodage dans le dit domaine.
Le SC-FDMA utilise deux méthodes pour associer les données aux sous-porteuses (mapping):
 Distribué : Un certain nombre de zéros est inséré entre chaque échantillon de sortie de la DFT,
offrant une plus grande diversité fréquentielle. Donc, les données de l'utilisateur occupent un
ensemble de sous-porteuses réalisant non consécutives de façon à réaliser une diversité en
fréquence.
 Localisé : Aucun zéro n’est inséré entre les échantillons de sortie de la DFT (Discrete Fourier
Transform), ceux-ci étant donc transposés sur des sous-porteuses consécutives. Donc, les
données de l'utilisateur occupent un ensemble de sous porteuses consécutives localisées
réalisant ainsi le gain sélectif en fréquence par établissement d'un ordonnancement dépendant
du canal dépendant (Channel-Dependent Scheduling : CDS).
Figure 3.11 : Mode Localisé et Mode Distribué.

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5. Multiple Input Multiple Output et Maximal Radio Combining (MIMO &
MRC)
5.1 Principe du MRC
Les techniques actuelles associées à des modulations et des codages adaptées mettant en œuvre
un lien point à point permettent d’approcher à la limite théorique de Shannon. De récentes recherches
en théorie de l’information ont montré que la capacité des systèmes multi-antennes (MIMO) augmente
linéairement avec le nombre d’antennes, dépassant considérablement la limite théorique de Shannon
en apparence et ceci sans consommer de ressources radios supplémentaires.
Ces systèmes permettent ainsi d’augmenter le débit usager et de combattre efficacement les
évanouissements et les interférences en exploitant la diversité produite par le canal MIMO (constitué de
sous canaux), améliorant ainsi la qualité du lien sans fil.
Le LTE la technique de Maximal Ratio Combining(MRC) est utilisée pour accroître la fiabilité du
lien dans des conditions de propagation difficiles quand la force du signal est faible et les conditions de
trajets multiples sont difficiles.
Avec la MRC, un signal est reçu par deux (ou plus) d'antennes séparées / paires émetteur-
récepteur. Notez que les antennes sont physiquement séparées, et donc ont des réponses
impulsionnelle distinctes du canal. La compensation de canal est appliquée à chaque signal reçu dans le
processeur bande de base avant d'être linéairement combinés pour créer un signal composite unique
reçu.
Lorsqu'ils sont combinés de cette façon, les signaux reçus sont ajoutés de façon cohérente dans
le processeur bande de base. Toutefois, le bruit thermique de chaque émetteur-récepteur est non
corrélé. Ainsi, la combinaison linéaire des signaux de canal compensés en bande de base donne comme
résultat une augmentation moyenne de 3 dB du SNR pour un récepteur à deux canaux MRC dans un
bruit d’environnement limité.

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Figure 3.12 : La technique MRC améliore la fiabilité du lien.
5.2 Principe de MIMO :
La MRC améliore la fiabilité du lien, mais elle n'augmente pas le taux nominal de données du
système. En mode MRC, les données sont transmises par une antenne unique et sont traitées au niveau
du récepteur par l'intermédiaire de deux récepteurs ou plus. MRC est donc une forme de diversité de
récepteurs plutôt que plus de diversité d'antenne classique. La MIMO, d'autre part, augmentent les taux
de données du système.
Afin d’obtenir un gain en diversité et en débit, la LTE MIMO propose Un système qui se compose
de 4 antennes émettrices et 4 antennes réceptrices (configuration inférieure possible). Ainsi, le
récepteur doit déterminer la réponse impulsionnelle du canal de chaque antenne d'émission. En LTE, les
réponses impulsionnelles des canaux sont déterminées par la transmission séquentielle de signaux de
référence connus de chaque antenne de transmission. Notez que pendant qu’une antenne émettrice
envoie le signal de référence, l'autre antenne est inactive. Une fois que les réponses impulsionnelles du
canal sont connues, les données peuvent être transmises par les deux antennes en même temps comme
le montre la Figure ci-dessous.

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Figure 3.13 : Illustration du principe MIMO.
6. Power Control
Afin de s'adapter aux changements dus aux interférences inter-cellulaires ou de correction des
pertes ou des erreurs des amplificateurs de puissance, le LTE adopte un système de contrôle de
puissance. Comme il est indiqué à la Figure, le UE transmettre la puissance, exprimée en dBm, est fixé
comme suit:
P = min (Pmax, P0 +10 ° log10M + α · L + Δmcs + f (Δi))
Avec : Pmax est la puissance d'émission maximale UE
P0 est un paramètre specifique UE (Éventuellement spécifique des cellules)
M est le nombre des ressources affectées blocs (BPR) à un certain utilisateur
α est le facteur de compensation des pertes
L est la mesure de chemin de liaison descendante en se basant sur PDL
Δmcs est un paramètre spécifique d’UE-spécifiques signalée par couches supérieures
Δi est une valeur spécifique de correction de gros en boucle valeur avec une augmentation
relative ou absolue en fonction de f ().

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Figure 3.14 : La signalisation du contrôle de puissance.
Le contrôle de puissance cherche généralement à maximiser la puissance reçue de signaux
souhaités tout en limiter les perturbations. Les terminaux qui sont plus loin de la cellule voisine peut
transmettre avec plus de puissance que les terminaux qui sont à proximité de la cellule. L’orthogonalité
des porteuses dans LTE permet la transmission de signaux avec différents puissance dans la même
cellule. À court terme, cela signifie qu'au lieu de compenser les pics de multipath fading par réduction
de puissance, on peut exploiter ces pics d'augmenter le taux de données au moyen de planification et
adaptation de liaison.

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