introduction lte 4g

7/25/2019 Introduction LTE 4G

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Enseignant : Homre NKWAWOuniversit Paris 13

[email protected]

4G LTE (Long Term Evolution)

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Plan

I. IntroductionII. Architecture gnraleIII. Interfaces et protocolesIV. Couche PhysiqueV. Qualit de Service et EPS bearersVI. Gestion de la mobilitVII. Concept de femtocellsVIII. Conclusion


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Rfrences

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Martin Sauter, From GSM to LTE , Wiley, 2010 ETSI, http://www.etsi.org 3GPP, http://www.3gpp.org Andr-Luc Beylot, support de cours en LTE, 2010

Mauricio Iturralde, Performances of LTE , thse IRIT, 2012 Yannick Bouguen, Eric Hardouin, Franois-Xavier Wolff, LTE et les rseaux 4G

Historique (1)

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Les dcouvertes thoriques des ondes radio

En 1819, Augustin Jean Fresnel dmontre la nature ondulatoire En 1865, Maxwell-Lorentz tablit les formules unifiant phnomnes

lectriques, magntiques et lumineux En 1887, Heinrich Rudolf Hertz montre la possibilit dmettre une onde

radio En 1897, Guglielmo Marconi ralise de nombreuses exprimentations

sur la propagation des ondes hertziennes

Le dveloppement des applications En 1899 : Guglielmo Marconi ralise la premire liaison par radio Les domaines des applications entre 1900 et 1970: les stations radio

militaires, les services de tlgraphie, la police, les pompiers


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Historique (2)

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Les rseaux mobiles pour le grand public Les premiers rseaux mobiles sont les rseaux cellulaires analogiques en

1970 En 1979, AMPS (Advanced Mobile Phone Service) est install Chicago En 1980, HCMTS (High Capacity Mobile Telephone System) Tokyo

En 1985, Radiocom 2000 en France En 1986, TACS (Total Access Communications System) en Angleterre

La deuxime gnration de rseaux mobiles entre 1991 et 2001 GSM (Global System for Mobile communications) GPRS (General Packet Radio Service), 2G+

La troisime gnration de rseaux mobiles En 2003, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) en Europe La quatrime gnration de rseaux mobiles

En 2009, LTE (Long Term Evolution) /LTE Advanced

Historique (3)

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Les rseaux sans fil pour le grand public

En 1994, Bluetooth cre par Ericsson comme WPAN En 1997, Wifi (IEEE 802.11) est normalis comme WLAN par IEEE En 2003, Zigbee (IEEE 802.15.4-2003) est normalis comme WPAN par

IEEE En 2004 WiMax - Worldwide Interoperability for Microwave Access (IEEE

802.16) est normalis comme WAN par IEEE


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Historique (4)

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3GPP release 8 : les premires ides de LTE (Long Term Evolution) etHSPA (High-Speed Packet Access) en introduisant MIMO et 64-QAM(Quadrature amplitude modulation )

3GPP release 9 : ide de lauto-organisation et de nouvelles cellules(eNodeB et Home eNodeB). Le standard LTE introduit aussi lesnouvelles interfaces OFDM permettant datteindre les dbits de 50-100 Mb/s

3GPP release 10 : LTE avanc (2010) propose les solutions afin derpondre les exigences IMT (International MobileTelecommunications Advanced)

3GPP release 11 : Overview of 3GPP Release 11 V0.0.8, en 2011(septembre) dfinit la ralisation de la LTE

3GPP release 12 : Overview of 3GPP Release 12 V0.0.5, en 2012(septembre) concerne les rcentes extensions

Organismes et standards

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ETSI (European Telecommunication Standards Institute) normalise GSMet GPRS

www.etsi.org

3GPP (3rd Generation Partnership Project) normalise GSM, GPRS, UMTSet LTE

www.3gpp.org

ITU (International Telecommunication Union) www.itu.int/pages/default.aspx

IETF (The Internet Engineering Task Force) www.irtf.org


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Introduction (1)

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Pourquoi la quatrime gnration LTE?

Les rseaux mobiles du GSM lUMTS sont les rseaux tlphoniques etIP (commutation de circuits + commutation de paquets). Laconversion entre les deux types de rseau a un cot important.

Solution de LTE: rseaux mobiles tout IP

Un des objectifs de lUMTS est de concevoir une interface radio surune bande de passante de 5MHz avec WCDMA (Widebande CodeDivision Multiple Access). Cependant, le dbit lev en utilisant latotalit de la bande passante entraine les multi-trajets graves.Solution de LTE : OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) la place de WCDMA

LTE intgre le contrlleur radio dans leNodeB permettant larduction de temps de traitement (latency/dlai) et laugmentationdefficacit.

Introduction (2)

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Si les premiers standards de LTE (rel.8 et rel.9), dit pre-4G, soriententdj vers une convergence tout IP, la norme 3GPP rel.10, candidatede lIMT -Advanced (International Mobile TelecommunicationsAdvanced) est un standard de 4G. Il supporte:

une architecture tout IP simplifie laide du dispositif de MME(Mobility Management Entity). Cependant un investissement

supplmentaire est indispensable (460M estims)

un rseau de haut dbit (quelques centaines Mb/s dans le sensdescendant et environ 100 Mb/s dans le sens remontant) parnouvelles dfinitions des interfaces (E-UTRA Evolved Universal TerrestrialRadio Access)


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Plan

I. IntroductionII. Architecture gnrale

III. Interfaces et protocolesIV. Couche PhysiqueV. Qualit de Service et EPS bearersVI. Gestion de la mobilitVII. Concept de femtocellsVIII. Conclusion

Rappel Architecture du GSM

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Le GSM se base sur les trois principales sous-ensembles (Subsystem) ousous-rseaux

BSS (Base Station Subsystem)NSS (Network SubSystem) IN (Intelligent Network subsystem) consiste fournir une base de

donnes permettant doffrir des fonctionnalits optionnelles. Parexemple, une connexion un compte bancaire pour vrifier si

labonn peut utiliser des services payants

Le mobile (MS Mobile Station) est alternativement inclus ou exclus dusous-ensemble BSS suivant le contexte.


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Architecture - BSS

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BSS (Base Station Subsystem) consiste en 2 parties: BTS (BaseTransceiver Station) et BSC (Base Station Controller)

Architecture - NSS (1)

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NSS tablit, contrle et route les appels entre centres mobiles et filairesdans le mme rseau ou dans les diffrents rseaux. Il se compose desquipements suivants :

MSC (Mobile Switching Center) VLR (Visitor Location Register) HLR (Home Location Register) AuC (Authentication Center) SMSC (Short Messaging Service Center) LAuC et le SMSC sont alternativement inclus ou exclus du sous-

ensemble NSS suivant le contexte. Ils pourront tre les quipements dusous-ensemble dIN

MSC (Mobile Switching Center) supporte les services entre BSS et HLR(enregistrement, tablissement de connexion, transfert de SMS)

VLR (Visitor Location Register) associ un MSC est une simple basede donnes. Elle contient une copie du profil temporaire de labonnqui connecte actuellement au MSC

HLR (Home Location Register) contient les profils dabonns (nom,numro du mobile, ID, services)


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AuC (Authentication Center) contient la cl dun abonn (= cl de lacarte SIM) permettant de dclencher la procdure delauthentification entre labonn et HLR/AuC. LAuC est souvent inclusdans le HLR

EIR (Equipment Identity Register) vrifie l'identification de l'quipementmobile. Cest--dire, lEIR contient les informations de scurit dumobile, IMEI-International Mobile station Equipment Identity , par

exemple SMSC (Short Messaging

Service Center) dterminela location de destinationde messages courts.


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Architecture en couches

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Le GSM tablit un dcoupage et une rpartition des fonctions surdivers quipements. La structure en couche reprend de dcoupageen respectant le modle de lOSI en 7 couches.

Dans le BSS, les trois couches basses de lOSI : couche Physique,

couche Liaison et couche Rseau, celle-ci est elle-mme dcoupeen plusieurs sous-couche qui concernent plusieurs interfaces.

Architecture en couches NSS

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La dfinition de larchitecture dpend de rseaux existants, enparticulier, le RTC


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Rappel: Architecture gnrale du GPRS

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PCU (Paquet Control Unit)SGSN (Serving GPRS Support Node) PSTN (Public Switched Telephone Network)GGSN (Gateway GPRS Support Node) PDN (Packet Data Network)

CGF (Charging Gateway Fonctionality) PLMN (Public Land Mobile Network)

quipements

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Larchitecture consiste en deux parties: Circuit-switched et Packet-switched Core Network. Cette architecture ncessite les nouveauxquipements suivants :

PCU (Paquet Control Unit) gre le contrle et la retransmission destrafic dans le sensremontant et dans le sens descendant les donnesvenues du rseau. Selon la norme 3GPP TS23.060, la PCU pourrait treimplmente devant ou avec ou aprs BSC (devant = dans le BTS,

avec = dans le BSC, aprs = devant SGSN) SGSN (Serving GPRS Support Node) joue le rle du MSC dans le

rseaux commutation de paquets. Il relie le rseau daccs et lerseau coeur.

GGSN (Gateway GPRS Support Node) connecte des rseauxextrieurs, en particulier, Internet.

es autres quipements possibles : DNS (Domaine Name System),serveur scuris


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quipements SGSN

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SGSN ralise la gestion du plan dutilisateur et du plan de contrle Plan dutilisation consiste dabord supporter des donnes

dutilisateur entre la MS, le BSS, le SGSN et le GGSN avec le contrlede flux, la dtection derreurs et la correction derreurs. La structure du

plan dutilisateur est celle de la pile protocolaire

Plan de contrle concerne dabord ltablissement dune session parle protocole PDP (Packet Data Protocole) gr par le managementde session (SM - Session Management) afin dobtenir une adresse IP.Ensuite, la gestion de la mobilit par la sous-couche GMM (GPRSMobilit Management) et par la procdure IRAU (Inter-SGSN RoutingArea Update). Enfin la collecte des informations de taxation CDR(Detail Records)

quipements GGSN

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GGSN relie GPRS vers les rseaux extrieurs tels que IP, ATM et X.25 Identification du rseau demand par APN (Access Point Name) Allocation dynamique ou statique dadresses IP lutilisateur durant

une session PDP Lors que le mobile change de localisation (Routing Area), GGSN

prend en charge le nouveau SGSN (IRAU). Par consquent, lechangement de localisation est masqu vis--vis du rseau extrieur.

A Collecte des informations de taxation


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Plan dutilisateur Piles protocolaire entre MS et SGSN

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

LLC (Logical Link Control) ; Network Service = Frame Relay

Plan de contrle Piles protocolaires

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


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Rappel: Architecture gnrale UMTS

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UTRAN (Universal Terrestrial Radio AccessNetwork) consiste en deux parties

NodeB est le responsable dinterface de

la couche Physique. Autrement dit, il grela modulation, la frquence radio, lapuissance dmission et le dbit de trafic adapt .

RNC (Radio Network Controller) soccupede la gestion de ressource radio (RadioResource Management) concernant lehandover, le contrle dadmission etlallocationes autres quipementspossibles : DNS (Domaine Name System),serveur scuris

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Acces NetworkCN Core Network UE User Equipment

Rappel: Architecture gnrale UMTS

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Rseau cur (1)

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UMTS rel.5 consiste en trois principales parties: La partie CS contient principalement le GSM La partie PS contient principalement le GPRS La partie IMS (IP multimdia Subsystem) connecte au PS permet

au UMTS dinterconnecter aux autres rseaux existants (WiFi,WiMax, ATM, IP, ADSL)

Gestion de la mobilit (MM Mobility management) Dans le domaine CS, le serveur MSC connait ltat dun UE (MM

Detached, MM Idle et MM Connected) A Dans le domaine PS, le SGSN connait ltat dun UE (PMM

Detached, PMM idle et PMM Connected)

Rseau cur (2)

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Gestion de la connexion

Dans le domaine CS, la gestion de la connexion repose sur lemme principe du GSM (CC-Call Control) en crant un circuit, silIMS nintervient pas dans la gestion. La partie PS contientprincipalement le GPRS

Dans le domaine PS, la gestion de la connexion repose sur lemme principe du GPRS (GTP-GPRS Tunning Protocol) en crant untunnel, si lIMS nintervient pas dans la gestion.

Si lIMS intervient dans la gestion de la connexion, la procduredevient assez complexe (voir les dtails dans le document 3GPP TS24.008)


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Larchitecture de LTE est simplifie

Comparaison des architectures (1)

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Architecture simplifie MME (Mobility Management Entity)

remplace les dispositifs PDSN/SGSNet BSC/RNC

PDSN: Packet Data Serving Node deCDMA2000

SGSN: Serving GPRS Support Node BSC: Base Station Controller RNC: Radio Network Control


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Comparaison des architectures (2)

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eNodeB remplace BTS/NodeB Seving/PDN (Packet Data Network)

gateway remplace HA/GGSN

BTS/NodeB: Base transceiver Station HA/GGSN: Home Agent/ Gateway

GPRS Support Node

Architecture gnrale (1)

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eNodeB et les interfaces S1 et X2 : les donnes dutilisateurs sonttransmises via S1-UP; la signalisation et les changes entre eNodB et lerseau cur sont transmis via S1-CP ; les changes entre eNodeB sontdirectement transmis via linterfaceX2.

MME gre lauthentification et le handover. Par exemple, un terminalmobile dplace dun eNodeB lautre et si X2 nest pas disponible.De ce fait, les interfaces S6 et S5 sont impliques

UP: user planeCP: control planeHSS: Home Subscriber ServerSGi: Service Gateway interface


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Serving Gateway gre les donnes dutilisateurs deNodeB PDN-gateway via S1 et S5. Le contrle des canaux est gr par MME viaS11

PDN Gateway gre la connexion lInternet (affecter une @ IPv4 unterminal + NAT-Network Address Translation) ou lintranet. De plus, leroaming international est galement gr par PDN gateway

UP: user planeCP: control plane

HSS: Home Subscriber ServerSGi: Service Gateway interface


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HSSjoue le rle de HLR/GSM et de MAP/UMTS. Il contient les paramtres

suivants :

IMSI (International Mobile Subscriber Identity)

Informations didentification

N tlphone, n MSISDN (Mobile Subscriber Integrated Service Digital

Network) et services (SMS par exemple)

Descriptif dun abonn (dbit max, droit daccs Internet)

paramtres IMS

UP: user planeCP: control planeHSS: Home Subscriber ServerSGi: Service Gateway interface


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EPC(EvolvedPacketCore)

UP: user planeCP: control plane

HSS: Home Subscriber ServerSGi: Service Gateway interface

LTE/SAE (System Architecture Evolution)

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Plan



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Interfaces normalises


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Principales interfaces

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Uu entre les UE et le rseau daccs UTRAN (Universal Terrestrial RadioAccess Network)

Um entre les UE et le rseau daccs GERAN (GSM EDGE Radio AccessNetwork) LTE-Uu entre les UE et le rseau daccs E-UTRAN (Evolved Universal

Terrestrial Radio Access Network) S1 entre un e-NodeB et un MME et entre un e-NodeB et un Serving

Gateway X1 entre les e-NodeB S3, S5, S6 et S11

Piles protocolaires (1)

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RLC (Radio Link Control) gre le segmentation, lassemblage et laretransmission

PDCP (Packet Data Convergence Protocol)/UMTS : lencapsulation deprotocole, compression den-tte , chiffrement et protection dintgrit.

RRC (Radio Resource control) situ la couche 3 gre la signalisation entre unUE et un eNodeB (paging, RRC connexion, fonctions de mobilit, CR demesures)

NAS (Non Access Stratum) gre les messages de signalisation (handover,connexion, contrle dadmission radio, mesures, allocation de ressource)

A SCTP (Stream Control Transmission Protocol) joue un rle similaire queUDP/TCP


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Piles protocolaires (2)

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GTP (General packet radio service Tunneling Protocol)

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Plan



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Couche physique (1)

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Rappelons que lvolution principale de la LTE est de re-dfinir lesinterfaces radios

OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) dans le sensdescendant offre un haut dbut SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) dans le

sens remontant dans le but de rsoudre le problme de PAPR (Peak toAverage Power Ratio) quand les abonns sont regroups.

Modulation adaptive et codage MCS (Modulation and CodingScheme) 16 QAM et 64 QAM par exemple

MIMO (2 x 2)

le dbit de la LTE dpend de plusieurs paramtres (nbre de bandespassantes, nbre de porteuses, nbre de MIMO, modulation et lecatgorie de UE). Il peut atteindre quelques centaines Mb/s.

Couche physique (2)

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Le dbit de LTE dpend de plusieurs paramtres (nb de bandespassantes, nb de porteuses, nb de MIMO, modulation et le catgoriede UE). Il peut atteindre 150Mb/s

En Europe, par exemple, DL 2620-2690 MHz, UL 2500-2570 MHz, lasparation de frquences (50 MHz) entre DL et UL, FDD

Au Japon: DL 2110-2170 MHz, UL 1920-1980 MHz, la sparation defrquences (130 MHz) entre DL et UL, FDD

Aux USA: par exemple, DL 746-756 MHz, UL 777-787 MHz, la sparationde frquences (21 MHz) entre DL et UL, FDD

En Chine: par exemple, DL 2570-2620 MHz, UL 2570-2620 MHz, TDD


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Couche physique (3)

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Plan



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QoS et EPS bearers (1)

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EPS bearer (Evolved Packet System) tuyau a pour but de sparer lestrafics diffrents (VoIP, FTP, vido). Lensemble de trafics dans un tuyau

est trait de la mme faon (par la mme signalisation, par exemple) la classification de trafic repose sur les paramtres de QoS tels que le

dlai, le dbit, la gigue et la squence)

LTE dfinit deux types de EPS bearer : GBR (Minimum Guaranteed Bit Rate) permet de garantir la QoS GBR par dfaut ou GBR ddi (cr pour chaque EPS bearer,

aucune garantie de QoS) non-GBR

Exemple: service de LTE

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chaque tuyau est cr en fonction du service demand. Ainsi laqualit est rassure


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QoS et EPS bearers (2)

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Paramtres QoS

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EPS bearer pour GBR (Minimum Guaranteed Bit Rate) QCI (QoS Class Identifier) : ce paramtre lie 1) le poids

dordonnance ; 2) le seul dadmission ; 3) la taille de file dattente .Loprateur doit pr- configurer les eNodeB

ARP (Allocation and Retention Priority) : ce paramtre permet dune

dcision (accepte, refus, modification) de cration de tuyau GBR (Guaranteed Bit Rate) : le dbit garanti MBR (Maximum Bit Rate)

EPS bearer pour non-GBR QCI (QoS Class Identifier) ARP (Allocation and Retention Priority)


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Gestion de files dattente et lordonnancement

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Dans le but de grer le dbit sur un lien (la bande passante), la stationde base (ou un routeur) doit dcider lordonnancement (quel paquetest choisi sur le lien sortant) et llimination (quel paquet est limin)

Allocation quitable pondre (weighted fair queueing

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FIFO pour chaque file dattente Ordonnancement de Weighted Fair Queueing entre les diffrentes

files dattente

Lordonnancement de Weighted Fair Queueing consiste privilgiercertains flux en leur accordant un poids lourd

A WFQ assure une potentielle quit en satisfaisant des contraintes de

QoS de chaque file dattente


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Algorithmes quitables

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Les rseaux mobiles doivent principalement prendre en compte lamobilit et la qualit de lien qui ntaient pas les critre de choix dansles rseaux filaires.

Algorithmes Max-Min privilgie les petits dbits. On ne peut passatisfaire le dbit demand dun flux sans diminuer le dbit demanddun flux plus petit

Round Robin Queueing et Fair Queueing, Weighted Fair Queueing

Algorithmes proportionnelle utiliss dans les rseaux mobiles et sansfil, cherchent maximiser lutilisation du dbit global

MaxSNR (Maximum Signal to Noise Ratio) Allocation avec Signal bruit maximum

PF (Proportional Fair) Allocation quitable et proportionnelle

Les nouvelles propositions sont trs nombreuses (le poids sur temps

dattente, par exemple).

Allocation avec Signal bruit maximum

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MaxSNR donne la priorit lutilisateur k ayant le plus grand rapportsignal bruit

MaxSNR alloue une (ou plusieurs) unit(s) de ressource lutilisateur kparmi tous les utilisateurs (k = 1, 2k)

Puisque la dcision dallocation se base sur la connaissance de lacouche MAC, le dbit pourra tre utilis au maximum

Lalgorithme est simple implmenter

( )arg max , 1, 2, 3,...,k alloudbit unit k K = =


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Allocation quitable et proportionnelle

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Proportional Fair consiste allouer une (ou plusieurs) unit(s) deressource lutilisateur i qui a les conditions de transmission les plusfavorables par rapport sa moyenne ui

La moyenne des ressources dj alloues permet de donner chaque

utilisateur une chance daccs La dcision dallocation se base sur les informations de la coucheMAC, par consquent, lalgorithme assure une maximisation du dbitet une quit en long terme

Lalgorithme est simple implmenter

( )i

i

u tj

u=

moyenne

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Plan



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Gestion de mobilit

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La gestion de mobilit consiste principalement en deux parties:

La mobilit gre par

linterface S1 entre un e-NodeB et un MME ouentre un e-NodeB et unServing Gateway (ex,localisation, handover)

La mobilit gre parlinterface X2 entre les e-NodeB (ex, handover)

Intra seamless handover

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Plan



Concept de femtocell dans la LTE (1)

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Une femtocell est une petite cellule permettant des transmissions mobiles la rsidence. La consommation dnergie doit tre faible.

On distingue deux types decellules :

Macrocell (eNodeB) Femtocell (Home eNodeB)

Dans une zone gre parun eNodeB, la QoS nestpas bien garantie si un UEse trouve loin de leNodeB,alors linstallation de HomeeNodeB permetdquilibrer la charge.


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Concept de femtocell dans la LTE (2)

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Le concept de femtocell a t conu pour le UMTS. La LTE repose sur leconcept.

Le but principal du concept de femtocell est de grer mieux la ressourceradio (la sparation de ressources indoor (gres par Home eNodeB) et

outdoor (eNodeB). De ce fait, un UE la maison peut obtenir la QoS.

Linconvnient principale est linterfrence cause parLa gestion de ressources spare (eNodeB et Home eNode

peuvent louer la mme ressource)Lintersection de bandes de passante

Solution : depuis quelques annes, les approches suivantes ont tproposes

Mthode de quatre couleursMthode de lallocation dynamique laide du rapport de signal

bruit

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Plan



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Conclusion

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LTE rpond des nouveaux besoins (dlai court, dbit lev,nouveaux services laide souvent par linterconnexion)

Architecture gnrale simplifie

Piles protocolaires reposent sur le protocole IP

Qualit de Service est principalement garantie par EPS bearers debout en bout

Amlioration de performance par mthode inter-couche

WiMax (IEEE 802.16) est un concurrent de la LTE

introduction lte 4g

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