for research

1. LONG TERM EVOLUTION
( 4G ET 4G+)
 Dr. TRAORÉ SOUNGALO
1

2. Mise à niveau de la technologie cellulaire baptisée LTE.
L’idée est que la LTE permettra:
Débits plus élevés
Temps de latence beaucoup plus faible
Elément clé de la LTE : utilisation de la technologie OFDM et des
régimes d'accès associés.
OFDM présente de nombreux avantages.
Compte tenu de ses avantages, l'utilisation de l’OFDM et des
technologies d'accès associés, OFDMA/SC-FDMA sont des choix
naturels pour la nouvelle norme cellulaire LTE.
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3. OBJECTIFS DU LTE
 La norme LTE permet en effet d'améliorer les
performances d'une communication radio-mobiles
comparativement à la 3G, notamment en terme de :
• Débit maximal théorique de 1 Gbps
• Interactivité : réduction de la latence
• Meilleure efficacité spectrale : L'opérateur peut couvrir
une plus grande densité de population en exploitant
une bande de fréquence identique à la 3G.
• Optimisation automatique du réseau : Les équipements
4G se configureront automatiquement pour améliorer la
qualité de service offerte au particulier.
3

4.  La 4G LTE est un réseau mobile de très haut débit, qui
marque une grande différence avec la 3G. En effet, il
permet de bénéficier d’un débit théorique de 100
Mbit/s, soit 10 fois plus rapide qu’en 3G+. Pour proposer
ce réseau, chaque opérateur mobile installe des
antennes aux bandes de fréquences adaptées ou fait
basculer des sites qui avaient d’autres utilisations.
 Le déploiement du réseau 4G LTE est en cours et de plus
en plus de villes sont couvertes dans le monde entier. Les
possesseurs de smartphones compatibles 4G
LTE profitent ainsi d’une très grande fluidité pour
naviguer sur Internet, télécharger des applications ou
regarder un film.
4

5. WCDMA
(UMTS)
HSPA
HSDPA /
HSUPA
HSPA+ LTE
Max downlink
speed
(bps)
384 k 14 M 28 M 100M
Max uplink speed
(bps)
128 k 5.7 M 11 M 50 M
Latency
round trip time
approx
150 ms 100 ms 50ms (max) ~10 ms
3GPP releases Rel 99/4 Rel 5 / 6 Rel 7 Rel 8
Approx years of
initial roll out
2003 / 4
2005 / 6 HSDPA
2007 / 8 HSUPA
2008 / 9 2009 / 10
Access method CDMA CDMA CDMA
OFDMA / SC-
FDMA
5

7. 7
LTE = Long Term Evolution (aussi connu sous le nom de
eUTRAN)
SAE = System Architecture Evolution (ce qui définit EPC)
EPC = Evolved Packet Core
EPS = Evolved Packet System qui inclut EPC, LTE et les
terminaux

8. Architecture EPS (LTE/SAE)
8
L’architecture EPS est constitué d’un EPC
(Packet Core Network) et d’un eUTRAN
Radio Access Network
Le Réseau Coeur fournit l’accès pour les
packets IP des réseaux externes il assure
aussi plusieurs fonctionalités ( QoS,
sécurité, mobilité et la gestion des
terminaux)
Le Réseau d’accès radio assure toutes les
fonctions relatives à l’interface radio
EPS

9. 9
Suppression de l’entité RNC de l’UMTS
La majorité des fonctionalités RNC
sont maintenant assurées par les eNodeB
eNodeB directement connectées entre
elles et avec le réseau cœur EPC
UMTS
LTE
UTRAN/ e-UTRAN

10. Architecture e-UTRAN
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Architecture plate et simplifiée comparée à celle
hiérarchique 2G/3G
La seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé
à un nodeB+RNC, qui est responsable de la transmission et de la
réception radio avec l’UE.

11. Architecture SAE : EPC
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Mobility Management
Entity Entité de gestion de
mobilité, c’est le nœud
principal de contrôle du
réseau d'accès LTE SAE
Serving Gateway,
La passerelle de service
SGW, est un élément
plan de données au
sein de la LTE SAE
Packet Data Network
Gateway
La passerelle PDN assure la
connectivité pour l'UE à des
réseaux de paquets de
données externes
Home Subscriber Server, la base de
données des abonnées
Policy and Charging Rules
Function l'entité qui détecte les flux de
service, applique la politique de

12. Avantages EPS
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Architecture plate et simplifiée
Architecture uniquement paquet
Connectivité permanente tout-IP
Réduction de la latence
Capacité de données améliorée
Communications en environnement
hétérogène

13. LA TECHNIQUE OFDM
 L’OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing)
 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
 SC-FDMA: Single Carrier FDMA ( technologie de codage
radio numerique dans les reseaux cellulaire de 4ieme
generation.
13

14.  L’OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing)
est un procédé de codage de signaux numériques par
répartition en fréquences orthogonales sous forme de
multiples sous-porteuses. Cette technique permet de
lutter contre les canaux sélectifs en fréquence en
permettant une égalisation de faible complexité. Ces
canaux se manifestent notamment en présence de trajets
multiples et sont d'autant plus pénalisants que le débit de
transmission est élevé. C’est la raison pour laquelle on
trouve cette technique largement adoptée dans la plupart
des applications à très haut débit.
14

15. Systèmes OFDM subdivisent la BP en plusieurs sous-porteuses
étroites et transmettent les données en flux parallèles.
Chaque sous-porteuse est modulée à l'aide de niveaux
variables de modulation QAM, i.e. QPSK, QAM, 64 QAM.
Chaque symbole OFDM est une combinaison linéaire
des signaux instantanés sur chacune des sous-porteuses
dans le canal.
15

16. => éliminer efficacement les ineterferences
Des sous-porteuses étroitement espacées,
=> usage efficace de la BP, sans présence
d’ICI - Inter Carrier Interference-.
16

17. Différence entre OFDM et OFDMA
 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
est une technique qui dérive del'OFDM en utilisant le
même principe de division de la bande passante en
plusieurs sous- porteuses.
 La différence entre l’OFDM et l’OFDMA c’est que la
première technique sert a un usager dans un intervalle
de temps, par contre OFDMA elle peut servir plusieurs
usagers dans un même intervalle de temps, comme
montrer dans la figure ci-dessus
17

18. Différence entre OFDM et OFDMA
18

19. Avantages du SC-FDMA:
OFDM: envoi de données s’effectuant parallèlement sur
plusieurs sous-porteuses .
SC-FDMA: envoi de données en série sur une même
porteuse.
19

20. La Maximal Ratio Combining (MRC) est utilisée pour
accroître la fiabilité du lien dans des conditions de
propagation difficiles (signal faible, multi-trajets).
La MIMO est une technique apparentée qui est utilisé
pour augmenter les taux de données du système.
20

21.  Multiple-Input Multiple-Output ou MIMO (« entrées
multiples, sorties multiples » en français) est une technique
de multiplexage utilisée dans les réseaux sans fil et les
réseaux mobiles permettant des transferts de données à
plus longue portée et avec un débit plus élevé qu’avec des
antennes utilisant la technique SISO (Single-Input Single-
Output).
 Alors que les anciens réseaux Wi-Fi ou les réseaux GSM
standards utilisent une seule antenne au niveau de
l'émetteur et du récepteur, MIMO utilise plusieurs antennes
tant au niveau de l'émetteur (par exemple un routeur) que
du récepteur (par exemple un PC portable ou un
smartphone)
21

22. Avec MRC, un signal est reçu par deux (ou plus)
d'antennes séparées / paires émetteur-récepteur.
Antennes physiquement séparées, et donc ont des
réponses impulsionnelles 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.
22

23. Amélioration de la fiabilité en présence de bruit AWGN
et de sélectivité en fréquence
Amélioration du SNR
La possibilité de sélectivité en fréquence profonde se
retrouve considérablement réduite
Amélioration de la fiabilité du lien
23
MRC n'augmente pas le taux nominal de données du
système !!
MRC est donc une forme de diversité de récepteurs

24. Principe: utilisation des antennes multiples en
émission comme à la réception.
L’opération MIMO nécessite une connaissance a
priori de toutes les réponses du canal
En LTE, les réponses impulsionnelles des canaux
sont déterminées par la transmission séquentielle
de signaux de référence connus de chaque
antenne de transmission
24

25. 25
Exemple: LTE downlink
La combinaison linéaire des deux flux de données sur les deux antennes du
récepteur des donne comme résultat un système de deux équations à deux
inconnues, qui se résout par deux flux de données d'origine.

26.  Amélioration de la fiabilité du lien par la
MRC
 Augmentation du rapport SNR
 Amélioration du taux nominal de données
du système
 Augmentation Débit
26

28. Il est essentiel que tout système de communication
cellulaire doit être capable de transmettre dans les deux
directions simultanément.
Afin d’être en mesure de transmettre dans les deux sens, un
UE ou une station de base doit disposer d'un schéma duplex.
Il existe deux formes de duplex qui sont couramment
utilisés:
FDD : Frequency Division Duplex
TDD : Time Division Duplex.
28

29. FDD : Frequency Division Duplex
Caractéristiques
Nécessité d’un duplexeur  Coût de matériel élevé
Utilisation des deux canaux différents dans les deux directions
Bande de garde:
Une Large bande de garde n'affecte pas la capacité
Nécessité d’une transmission en continue
Pas d’interférence inter-slots
29

30. TDD : Time Division Duplex
Caractéristiques
Moindre coût
Utilisation du même canal de transmission dans les deux
liaisons
Bande de garde:
Une grande période de garde va limiter la capacité.
Nécessité d’une transmission en discontinue
permission à la fois la transmission en liaison
montante et en liaison descendante.
Pouvoir dégrader les performances de l'amplificateur RF de
puissance de l'émetteur.
Pouvoir la production des interférence inter-slots
30

31. Différents canaux sont utilisés pour séparer les différents
types de données et leur permettent d'être transportés à
travers le Radio Access Network d'une façon ordonnée.
Canaux Physiques: transportent les données utilisateur
et les messages de contrôle.
Canaux de Transport: fournissent les informations de
transfert à la Medium Access Control (MAC) et aux
couches supérieures.
Canaux Logiques: fournissent des services au niveau de la
couche MAC à l'intérieur de la structure protocolaire de la
LTE. 31

32. Physical Broadcast Channel (PBCH) : transporte les informations système, pour les UE, nécessaires pour accéder au
réseau.
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : informer l'UE sur le nombre de symboles OFDM (1, 2 ou 3) utilisé
pour le PDCCH dans une sous-trame. Ce canal se compose de 32 bits brouillés qui sont spécifiques aux cellules pour la
modulation et le mapping.
Physical Downlink Control Channel (PDCCH) : transporter principalement l’ordonnancement de l'information.
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) : indiquer le statut Hybride ARQ.
Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : Ce canal est utilisé pour l'unicast et les fonctions de paging.
Physical Multicast Channel (PMCH) : transporte les informations système à des fins de multicast.
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : fournit des informations pour permettre à l'UE de décoder le
PDSCH.
32

33. Physical Uplink Control Channel (PUCCH) : Envoie
des accusés ARQ.
Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : Ce canal
est l’analogue du canal PDSCH en Uplink.
Physical Random Access Channel (PRACH) utilisé
pour les fonctions d'accès aléatoire (Random Access).
33

34. Broadcast Channel (BCH) : Ce canal de transport LTE mappe au
Broadcast Control Channel (BCCH).
Downlink Shared Channel (DL-SCH) : Ce canal de transport est le canal
principal pour le transfert de données en liaison descendante. Il est utilisé
par de nombreux canaux logiques.
Paging Channel (PCH) : Pour transmettre le PCCH
Multicast Channel (MCH) : Ce canal de transport est utilisé pour
transmettre les informations MCCH afin d’établir les transmissions
multidiffusion.
34

35. Uplink Shared Channel (UL-SCH) : Ce canal de
transport est le canal principal de liaison
montante pour le transfert de données. Il est
utilisé par de nombreux canaux logiques.
Random Access Channel (RACH) : Ceci est
utilisé pour les conditions d’accès aléatoire.
35

36. Broadcast Control Channel (BCCH) : fournit des informations système à
tous les terminaux mobiles connectés à la eNodeB.
Paging Control Channel (PCCH) : utilisé pour les informations de paging
lors de la recherche d'une unité sur le réseau.
Common Control Channel (CCCH) : utilisé pour obtenir des
renseignements
d’ accès aléatoire.
Multicast Control Channel (MCCH) : utilisé pour les informations
nécessaires pour la réception de multidiffusion.
Dedicated Control Channel (DCCH) : pour le transfert des informations
de contrôle spécifiques à l’utilisateur, par exemple les actions de contrôle
y compris le contrôle de puissance, handover, etc.
36

37. Dedicated Traffic Channel (DTCH) : Ce canal
de trafic est utilisé pour la transmission des
données utilisateur.
Multicast Traffic Channel (MTCH) : Ce canal
est utilisé pour la transmission de données
multicast.
37

38. Le réseau 4G LTE
Advanced ou 4G+
38

39. Rappel:4G LTE
 La technologie LTE actuellement déployée dans certains
developpes et emrageants est, du point de vue des débits,
une petite mise à jour. En effet, le débit par cellule ne
passe « que » de 42Mbps en Dual-Carrier à, au mieux,
150Mbps (pour Orange et Free Mobile). Ce qui ne sera pas,
pour beaucoup, un énorme gap.
 Cependant, il ne faut pas oublier que la technologie LTE
est la première technologie conçue pour la data, même si
la 3G permettait de bons débits. Cela se ressentira sur la
qualité de navigation, notamment.
 Le confort est tel que les consommateurs ont tendance à
utiliser davantage leur fair-use. (un atout qui cache un
incovenient)
39

40. DEFINITION DE LA 4G ADVANCED
 LTE-Advanced est une norme de réseau mobile de 4e
génération définie par l’organisme de normalisation
3GPP qui fait partie des technologies réseaux retenues
par l'UIT comme norme 4G IMT-Advanced ; il représente
la « vraie » 4G.
 Baptisée 4G+ par les opérateurs, cette norme est
également connue sous l’appellation LTE-Advanced.
Comme son nom l'indique, il s'agit d'une évolution du
standard LTE (Long Term Evolution)
40

41. Objectif de LTE Advanced ou 4G+
 Avec la 4G, même si un débit théorique de 100 Mbit/s
peut sembler important, il sera à moyen terme
insuffisant pour faire face aux besoins croissants.
 D’où la nécessité de 4G LTE Advanced ou 4G+. Cette
norme, parfois nommée la « vraie » 4G, offre un débit
théorique de 1 Gbit/s.
 Pour y parvenir, les opérateurs mobiles ont amélioré
leurs infrastructures afin que plusieurs bandes de
fréquences puissent être utilisées simultanément. C’est
ce processus qui permet d’obtenir un débit plus
important.
41

42. Objectif de LTE Advanced ou 4G+
 Pour simplifier le problème, l’idée de la LTE-Advanced est
d’améliorer la technologie actuelle, la LTE (Long Term
Evolution), afin d’atteindre les exigences de la véritable
4G telles que définies par l’Union Internationale des
Télécommunications (UIT).
 Tout comme pour la téléphonie de troisième génération,
l’UIT a défini à travers les spécifications « IMT-Advanced »
les conditions requises pour la dénomination « 4G »,Parmi
les exigences, un débit maximal théorique de 1 Gbps (100
Mbps en mouvement).
42

43. Pourquoi des questions de tels debits se
posent deja?
 le débit théorique disponible au sein d’une cellule (la zone
couverte par une antenne) est à partager entre tous les
utilisateurs se situant à l’intérieur de celle-ci.
 Dans les zones très denses (les grandes métropoles, les lieux
touristiques, etc.), la taille des cellules est déjà
suffisamment petite pour que le nombre d’utilisateurs soit
acceptable (en campagne, une cellule peut faire plusieurs
Km2). Cependant, les usagers se multiplient et sont de plus
en plus gourmands en données. Ils faut donc, dès maintenant,
penser à augmenter les capacités théoriques de ces cellules,
c’est-à-dire les débits maximaux partagés.
43

44. Pourquoi des questions de tels debits se
posent deja?
 Adoptée depuis peu, la technologie LTE permet déjà
d’augmenter sensiblement les débits.
 Elle a été conçue pour tous ces usages data, elle
permet donc un confort d’utilisation bien plus grand
(notamment le temps de latence bien moindre). À ce
stade, la 4G commerciale de nos opérateurs permet
déjà d’observer ce gain de confort de manière non
négligeable.
 Mais, la croissance de la consommation est telle que
les limites de la technologie se sont faits très tôt sentir
bien plus tôt que l’on eût pu prévoir il y a quelques
années encore. 44

45. La LTE-Advanced, mise à jour
naturelle de notre LTE
 La LTE-Advanced est la réponse idéale à ce futur problème
dans la mesure où elle est constituée d’améliorations
techniques préservant une compatibilité avec la technologie
actuelle.
 Ainsi, les opérateurs pourront mettre à jour leurs matériels
afin d’augmenter les capacités de leur réseau, et ce, sans
trop de difficultés techniques et administratives. Les
utilisateurs pourront, de leur côté, continuer à utiliser leur
téléphone 4G sans aucun problème.
 Les mieux équipés (terminaux récents compatibles LTE-
Advanced) bénéficieront quant à eux des débits supérieurs
de la LTE-Advanced.
 Cette coexistence rappelle le cas de la génération GSM
avec GPRS / EDGE
45

46. Mode opératoire de la LTE a la LTE
Advanced
 Développer ici deux grandes améliorations qui s’appuient
sur deux principes :
1. - augmenter l’efficacité spectrale
2. - augmenter la largeur de bande disponible pour
utilisateur
46

47. Augmenter l’efficacité spectrale
 Nous n’allons pas rentrer dans le détail de l’ensemble des
techniques et améliorations qui permettront d’augmenter
l’efficacité spectrale. Nous allons nous contenter de
développer l’une des avancées que nous connaissons déjà :
le MIMO, pour Multiple-Input Multiple-Output. Aujourd’hui,
la technologie MIMO est présente dans certaines connexions
WiFi, ainsi que pour certaines antennes 3G Dual-Carrier
(jusqu’à 84 Mbps par cellule dans ce cas précis [MIMO 2×2])
 .Plus d’antennes de chaque côté pour recevoir davantage
 Cette technologie consiste donc à envoyer et recevoir les
données avec plusieurs antennes simultanément.
47

48. Augmenter l’efficacité spectrale
 La manière dont sont envoyées les données pourra varier
selon les situations (diversité spatiale ou multiplexage
spatiale), mais l’idée est la même au final : doubler le
nombre d’antennes output (au niveau du relais) permet
de doubler (on va simplifier) l’efficacité spectrale et
ainsi permettre de supporter plus d’utilisateurs. Du côté
du terminal, si l’on double le nombre d’antennes en
réception (input), on ira jusqu’à doubler les
performances et le débits en download. Simple et
efficace.
48

49. LTE Advanced: Plus d’antennes pour
mieux envoyer et mieux recevoir
 La LTE-Advanced apporte le MIMO 8×8 en download
(toujours 4×4 en upload) ; 8 antennes de chaque côté
(antenne relais – terminal), ce qui permet de doubler
l’efficacité spectrale permet d’atteindre des débits de
600 Mbps. C’est très prometteur sachant que l’adoption
de cette technologie ne modifie en rien la compatibilité
ascendante. Du côté antenne, on double les capacités et
le nombre d’utilisateurs potentiels. Aucun frein à
l’adoption donc, si ce n’est la difficulté d’intégration de
la technologie elle-même.
49

50. L’efficacité spectrale au bord de la
cellule
 En augmentant le nombre d’antennes en output, on
augmente l’efficacité spectrale et on permet à plus
d’utilisateurs de recevoir un signal. C’est un très bon point,
sachant que le nombre d’objets connectés ne va cesser de
croître dans les prochaines années.
 Pour autant, il ne faut pas oublier l’un des problèmes
majeurs des connexions cellulaires : le cas des frontières ou
des bords. Plus on s’éloigne de l’antenne, et plus le signal
faiblit (à cause de la distance et des divers obstacles).
Cependant, un autre problème apparait à ces frontières
cellulaires : le signal des autres antennes peut être perçu
comme des « interférences » dans la mesure où il perturbe
la stabilité de la connexion. 50

51. L’efficacité spectrale au bord de la
cellule
 La LTE-Advanced va apporter plusieurs améliorations afin
d’améliorer le confort au bord de ces cellules. L’une de ces
améliorations, appelée Coordinated Multi Point Operation,
devrait permettre aux terminaux de ne plus être perturbés par
les antennes voisines.
 Plus loin encore, grâce à cette technologie, le terminal pourrait
recevoir le signal de différentes antennes afin d’augmenter la
bande passante disponible, de manière transparente.
 C’est un point essentiel pour la stabilité de la connexion. Une
telle barrière franchie permettra à beaucoup d’utilisateurs se
situant dans ces zones frontières d’obtenir une connexion de
bien meilleure qualité, également pour les utilisateurs en
mouvement.
51

52. 52

53.  Qu’Est-Ce Que La 5G Et En
Quoi Est-Elle Différente De la
4G?
53