La 4G Long Term Evolution
4G Long Term Evolution
Le LTE (Long Term Evolution) est une évolution des normes de téléphonie mobile UMTS.
Les réseaux mobiles LTE sont commercialisés sous l’appellation « 4G » par les opérateurs de nombreux pays, par exemple : Proximus, Base, VOO Mobile et Orange en Belgique, Swisscom et Sunrise en Suisse, Verizon et AT&T aux États-Unis, Vidéotron, Rogers et Fido Solutions au Canada, Orange, Bouygues Telecom, SFR et Free mobile en France, Algérie Télécom en Algérie, Maroc Telecom, Orange et Inwi au Maroc...
Le LTE utilise des bandes de fréquences hertziennes d’une largeur pouvant varier de 1,4 MHz à 20 MHz dans une plage de fréquences allant de 450 MHz à 3,8 GHz selon les pays. Il permet d'atteindre (pour une largeur de bande de 20 MHz) un débit binaire théorique de 300 Mbit/s en « liaison descendante » (downlink, vers le mobile).
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Le réseau est constitué de deux parties : une partie radio (eUTRAN) et un cœur de réseau « EPC » (Evolved Packet Core).
La partie radio du réseau, appelée « eUTRAN », est simplifiée comparée à celles des réseaux 2G ou 3G, par l’intégration dans les stations de base « eNode B » des fonctions de contrôle qui étaient auparavant localisées dans les RNC (Radio Network Controller) des réseaux 3G UMTS.
La partie radio d’un réseau LTE se compose donc des eNode B, d’antennes locales ou distantes, de liaisons en fibres optiques vers les antennes locales ou distantes et des liaisons IP reliant les eNode B entre eux et avec le cœur de réseau via un réseau de backhaul.
Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des technologies « full IP », c'est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation, le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet.
L’EPC d’un opérateur LTE est principalement constitué de passerelles de services, Serving Gateways (SGW) qui transportent le trafic de données (plan utilisateur) et concentrent le trafic de plusieurs eNodeB, de MMEs qui gèrent la signalisation (plan de contrôle) et donnent l’accès aux bases de données (HSS / HLR) contenant les identifiants et les droits des abonnés. Un PGW servent de passerelles vers le réseau Internet ; le PGW a aussi pour rôle d’attribuer les adresses IP aux terminaux LTE.
L'EPC permet aussi, via d'autres passerelles, l'accès des terminaux au cœur de réseau LTE, en utilisant d'autres types d'accès radio : des points d'accès Wi-Fi ou des femtocells généralement connectés via des box ou FTTH.
L’utilisation du protocole IP de bout-en bout dans le cœur de réseau permet, par rapport aux réseaux 3G, des temps de latence réduits pour l’accès internet et les appels vocaux LTE.
Les normes LTE, définies par le consortium 3GPP sont dérivées des normes UMTS, mais apportent de nombreuses modifications et améliorations, notamment :
Contrairement aux normes 3G HSPA et HSPA+, qui utilisent la même couverture radio que l’UMTS, le LTE nécessite des fréquences radio et des antennes qui lui sont propres mais qui peuvent être colocalisées avec celles d’un réseau 2G ou 3G.L'eNode B (evolved Node B) est la station de base des réseaux mobiles basés sur les technologies LTE. C'est l'équivalent du Node B dans les réseaux UMTS (3G). Il constitue l’élément principal du réseau radio LTE, appelé eUTRAN (evolved Universal Terrestrial Radio Access Network).
L’eNode B utilise les protocoles OFDMA (-downlink) et SC-FDMA (uplink) pour communiquer par radio avec les terminaux mobiles LTE. Ces protocoles et codages radio permettent de plus haut débits que le codage W-CDMA utilisé par les Node B des réseaux 3G UMTS et CDMA2000.
Le terme EUTRAN désigne la partie radio d’un réseau de téléphonie mobile LTE ou LTE Advanced ; c’est l’abréviation de « Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network » (réseau universel évolué d'accès radio terrestre), le terme EUTRA est aussi parfois utilisé.
Le réseau EUTRAN est un réseau cellulaire qui assure la connexion via des ondes radio UHF entre les terminaux mobiles et le cœur de réseau de l'opérateur mobile.
Un EUTRAN est constitué d’antennes radio, de stations de base « eNode B », ainsi que des liaisons en fibre optique, cuivre ou portées par un faisceau hertzien (réseau de backhaul) raccordant ces équipements entre eux et avec le cœur de réseau.
L'eUTRAN est la partie « accès radio » (RAN) d'un réseau de téléphonie mobile 4G LTE ou LTE Advanced. Il peut transporter de nombreux types de trafics (voix et données) en mode paquet en utilisant exclusivement les protocoles IP. L'eUTRAN permet la connexion entre le UE (l’équipement de l'utilisateur) et le cœur de réseau (EPC : « Evolved Packet Core ») de l’opérateur mobile.
Dans les réseaux LTE et LTE Advanced, les techniques de codage radio utilisées entre les terminaux mobiles (UE) et les antennes du réseau sont l’OFDMA (liaison descendante - downlink) et le SC-FDMA (liaison montante - uplink).
Un EUTRAN peut utiliser de nombreuses bandes de fréquence radio (par exemple les bandes de 800 MHz, 1 800 et 2 600 MHz en Europe) qui sont généralement attribuées ou vendues aux opérateurs mobiles par une entité gouvernementale. Selon les réseaux et les pays, ces bandes de fréquences peuvent être uniques (elles utilisent alors la variante TDD des normes LTE/EUTRAN) ou duplex et appariées (variante FDD) ; dans ce 2e cas une des 2 bandes est utilisée pour un sens de transmission (liaison descendante), l’autre pour le sens inverse (liaison montante).
Les stations de base (eNode B) sont le principal constituant d’un EUTRAN ; elles sont réparties sur l’ensemble du réseau (plusieurs dizaines de milliers de stations de base sont nécessaires pour couvrir complètement un pays de la taille de la RDC).
Il y a deux types principaux d’interfaces normalisées entre les entités fonctionnelles d’un réseau eUTRAN : Les interfaces S1 (S1-MME et S1-U) utilisées pour les connexions au cœur de réseau (EPC) et les interfaces X2 qui relient chaque eNode B aux eNode B voisins et qui sont utilisés notamment pour gérer le handover d’un mobile d’une cellule radio vers une autre.
L’interface S1-MME supporte le trafic de signalisation et de contrôle vers le MME (Mobility Management Entity) situé dans le cœur du réseau Evolved Packet Core (EPC). L’interface S1-U supporte les flux des données utilisateurs (voix et données) allant ou venant des SGW (Serving GateWay) situés dans le cœur du réseau.
La connexion physique des eNode B 4G au cœur du réseau LTE (nommé « EPC ») est réalisée par un réseau de backhaul généralement constitué de liaisons en fibres optiques supportant les protocoles IP (IPv4 et IPv6).
Les réseaux mobiles LTE sont commercialisés sous l’appellation « 4G » par les opérateurs de nombreux pays, par exemple : Proximus, Base, VOO Mobile et Orange en Belgique, Swisscom et Sunrise en Suisse, Verizon et AT&T aux États-Unis, Vidéotron, Rogers et Fido Solutions au Canada, Orange, Bouygues Telecom, SFR et Free mobile en France, Algérie Télécom en Algérie, Maroc Telecom, Orange et Inwi au Maroc...
Le LTE utilise des bandes de fréquences hertziennes d’une largeur pouvant varier de 1,4 MHz à 20 MHz dans une plage de fréquences allant de 450 MHz à 3,8 GHz selon les pays. Il permet d'atteindre (pour une largeur de bande de 20 MHz) un débit binaire théorique de 300 Mbit/s en « liaison descendante » (downlink, vers le mobile).
La « vraie 4G », appelée LTE Advanced et affichée 4G+ sur le mobile offrira un débit descendant pouvant atteindre ou dépasser 1 Gbit/s ; ce débit nécessitera l’utilisation de bandes de fréquences agrégées de 2×100 MHz de largeur qui sont définies dans les versions 10 à 15 (3GPP releases 10, 11, 12, 13, 14 et 15) des normes LTE Advanced.
Caractéristiques principales
.Architecture du réseau LTE
Les réseaux LTE sont des réseaux cellulaires constitués de milliers de cellules radio qui utilisent les mêmes fréquences hertziennes, y compris dans les cellules radio mitoyennes, grâce aux codages radio OFDMA (de la base vers le terminal) et SC-FDMA (du terminal vers la base). Ceci permet d’affecter à chaque cellule une largeur spectrale plus importante qu'en 3G, variant de 3 à 20 MHz et donc d'avoir une bande passante plus importante et plus de débit dans chaque cellule.Le réseau est constitué de deux parties : une partie radio (eUTRAN) et un cœur de réseau « EPC » (Evolved Packet Core).
La partie radio eUTRAN
La partie radio du réseau, appelée « eUTRAN », est simplifiée comparée à celles des réseaux 2G ou 3G, par l’intégration dans les stations de base « eNode B » des fonctions de contrôle qui étaient auparavant localisées dans les RNC (Radio Network Controller) des réseaux 3G UMTS.
La partie radio d’un réseau LTE se compose donc des eNode B, d’antennes locales ou distantes, de liaisons en fibres optiques vers les antennes locales ou distantes et des liaisons IP reliant les eNode B entre eux et avec le cœur de réseau via un réseau de backhaul.
Le cœur de réseau EPC
Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) utilise des technologies « full IP », c'est-à-dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation, le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet.
L’EPC d’un opérateur LTE est principalement constitué de passerelles de services, Serving Gateways (SGW) qui transportent le trafic de données (plan utilisateur) et concentrent le trafic de plusieurs eNodeB, de MMEs qui gèrent la signalisation (plan de contrôle) et donnent l’accès aux bases de données (HSS / HLR) contenant les identifiants et les droits des abonnés. Un PGW servent de passerelles vers le réseau Internet ; le PGW a aussi pour rôle d’attribuer les adresses IP aux terminaux LTE.
L'EPC permet aussi, via d'autres passerelles, l'accès des terminaux au cœur de réseau LTE, en utilisant d'autres types d'accès radio : des points d'accès Wi-Fi ou des femtocells généralement connectés via des box ou FTTH.
L’utilisation du protocole IP de bout-en bout dans le cœur de réseau permet, par rapport aux réseaux 3G, des temps de latence réduits pour l’accès internet et les appels vocaux LTE.
Principales différences entre les normes LTE et 3G UMTS
Les normes LTE, définies par le consortium 3GPP sont dérivées des normes UMTS, mais apportent de nombreuses modifications et améliorations, notamment :
- un débit descendant théorique allant jusqu'à 326,4 Mbit/s; un débit montant théorique allant jusqu'à 86,4 Mbit/s crête (75 Mbit/s utiles) ; cinq classes de terminaux LTE ont été définies, elles supportent des débits allant de 10 Mbit/s (catégorie 1), jusqu’au débit maximal descendant prévu par la norme LTE (300 Mbit/s pour la catégorie 5). Tous les terminaux LTE doivent être compatibles avec les largeurs de bandes de fréquence allant de 1,4 à 20 MHz ;
- un débit de données trois à quatre fois plus important que celui de l'UMTS ;
- une efficacité spectrale (nombre de bits transmis par seconde par hertz) trois fois plus élevée que la version de l'UMTS appelée HSPA ;
- un temps de latence RTT (Round Trip Time) proche de 10 ms (contre 70 à 200 ms en HSPA et UMTS) ;
- l’utilisation du codage OFDMA pour la liaison descendante et du SC-FDMA pour la liaison montante (au lieu du W-CDMA en UMTS) ;
- des performances et des débits radios améliorés par l’utilisation de la technologie multi-antennes MIMO du côté équipement terrestre (eNodeB) et du côté terminal (en réception uniquement) ;
- la possibilité d'utiliser une bande de fréquence allouée à un opérateur variant de 1,4 MHz à 20 MHz, permet une plus grande souplesse (par rapport à la largeur spectrale fixe de 5 MHz de l'UMTS / W-CDMA) ;
- une large gamme de bandes de fréquences hertziennes supportées, y compris celles historiquement attribuées au GSM et à l’UMTS et de nouvelles bandes spectrales notamment autour de 800 MHz et de 2,6 GHz : 39 bandes sont normalisées par le 3GPP (dont 27 en LTE FDD et 11 en TDD). La possibilité d'utiliser des sous-bandes de fréquences non-contiguës ;
- la contrepartie du grand nombre de bandes de fréquences prévues par la norme est la quasi impossibilité pour un terminal de prendre en charge simultanément toutes les fréquences normalisées ; il y a donc des risques importants d'incompatibilité entre terminaux mobiles et réseaux nationaux ;
- la prise en charge de plus de 200 terminaux actifs simultanément dans chaque cellule ;
- un bon support des terminaux en mouvement rapide. De bonnes performances ont été enregistrées jusqu'à 350 km/h, voire jusqu'à 500 km/h, en fonction des bandes de fréquence utilisées.
Contrairement aux normes 3G HSPA et HSPA+, qui utilisent la même couverture radio que l’UMTS, le LTE nécessite des fréquences radio et des antennes qui lui sont propres mais qui peuvent être colocalisées avec celles d’un réseau 2G ou 3G.
ENode B
L'eNode B (evolved Node B) est la station de base des réseaux mobiles basés sur les technologies LTE. C'est l'équivalent du Node B dans les réseaux UMTS (3G). Il constitue l’élément principal du réseau radio LTE, appelé eUTRAN (evolved Universal Terrestrial Radio Access Network).
Les stations de base « eNode B » réalisent la passerelle entre les terminaux mobiles, les antennes radio et le cœur du réseau des opérateurs LTE (appelé EPC : Evolved Packet Core). Elles intègrent aussi les fonctions de contrôle qui dans les réseaux 3G UMTS sont localisées dans des nœuds de réseaux indépendants : les RNC (Radio Network Controller).
L’eNode B utilise les protocoles OFDMA (-downlink) et SC-FDMA (uplink) pour communiquer par radio avec les terminaux mobiles LTE. Ces protocoles et codages radio permettent de plus haut débits que le codage W-CDMA utilisé par les Node B des réseaux 3G UMTS et CDMA2000.
Une station de base eNode B peut gérer des cellules radio utilisant plusieurs bandes de fréquence (par exemple : 800 MHz, 1 800 MHz et 2,6 GHz) sur différents secteurs (un secteur correspond à une ou plusieurs antennes physiques orientées dans la même direction). Un site radio (macro-cellules) a généralement 3 secteurs, chacun couvrant un angle de 120°, et peut utiliser sur chaque secteur plusieurs bandes de fréquences indépendantes ou regroupées. Un eNode B gère en général un site d'antennes locales (un pylône couvrant 3 secteurs) et optionnellement un ou plusieurs sites (antennes relais) distants.
Interfaces avec le cœur de réseau
Les eNode B 4G sont connectés au cœur de réseau « EPC » via un réseau de backhaul généralement constitué de liaisons en fibres optiques supportant des protocoles basés sur IP ; ils sont aussi reliés aux autres eNode B voisins via des liaisons appelées « X2 », utilisées notamment » pour gérer le handover d’un mobile d’une cellule radio vers une autre et aussi pour coordonner une affectation harmonieuse des sous-porteuses entre les mobiles présents dans chaque cellule radio, dans le but de limiter les interférences.
Les interfaces S1 vers le cœur de réseau (EPC) supportent les protocoles et flux de données suivants :les protocoles S1-AP / SCTP vers le MME (Mobility Management Entity) pour le trafic de signalisation et de contrôle.
les protocoles S1-U / GTP_U vers le S-GW (Serving Gateway) pour l'ensemble des trafics utilisateurs destinés ou venant des terminaux mobiles. Ce protocole véhicule à la fois les trafics de données (internet, vidéo, emails...) et le trafic vocal (VoLTE).
Certains eNode B sont aussi capables de gérer les protocoles 3G (HSPA) et (HSPA+) et donc de faire fonction de Node B 3G.
EUTRAN
Le terme EUTRAN désigne la partie radio d’un réseau de téléphonie mobile LTE ou LTE Advanced ; c’est l’abréviation de « Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network » (réseau universel évolué d'accès radio terrestre), le terme EUTRA est aussi parfois utilisé.
Le réseau EUTRAN est un réseau cellulaire qui assure la connexion via des ondes radio UHF entre les terminaux mobiles et le cœur de réseau de l'opérateur mobile.
Un EUTRAN est constitué d’antennes radio, de stations de base « eNode B », ainsi que des liaisons en fibre optique, cuivre ou portées par un faisceau hertzien (réseau de backhaul) raccordant ces équipements entre eux et avec le cœur de réseau.
Description technique EUTRA
L'eUTRAN est la partie « accès radio » (RAN) d'un réseau de téléphonie mobile 4G LTE ou LTE Advanced. Il peut transporter de nombreux types de trafics (voix et données) en mode paquet en utilisant exclusivement les protocoles IP. L'eUTRAN permet la connexion entre le UE (l’équipement de l'utilisateur) et le cœur de réseau (EPC : « Evolved Packet Core ») de l’opérateur mobile.
Dans les réseaux LTE et LTE Advanced, les techniques de codage radio utilisées entre les terminaux mobiles (UE) et les antennes du réseau sont l’OFDMA (liaison descendante - downlink) et le SC-FDMA (liaison montante - uplink).
Un EUTRAN peut utiliser de nombreuses bandes de fréquence radio (par exemple les bandes de 800 MHz, 1 800 et 2 600 MHz en Europe) qui sont généralement attribuées ou vendues aux opérateurs mobiles par une entité gouvernementale. Selon les réseaux et les pays, ces bandes de fréquences peuvent être uniques (elles utilisent alors la variante TDD des normes LTE/EUTRAN) ou duplex et appariées (variante FDD) ; dans ce 2e cas une des 2 bandes est utilisée pour un sens de transmission (liaison descendante), l’autre pour le sens inverse (liaison montante).
Les stations de base (eNode B) sont le principal constituant d’un EUTRAN ; elles sont réparties sur l’ensemble du réseau (plusieurs dizaines de milliers de stations de base sont nécessaires pour couvrir complètement un pays de la taille de la RDC).
Il y a deux types principaux d’interfaces normalisées entre les entités fonctionnelles d’un réseau eUTRAN : Les interfaces S1 (S1-MME et S1-U) utilisées pour les connexions au cœur de réseau (EPC) et les interfaces X2 qui relient chaque eNode B aux eNode B voisins et qui sont utilisés notamment pour gérer le handover d’un mobile d’une cellule radio vers une autre.
L’interface S1-MME supporte le trafic de signalisation et de contrôle vers le MME (Mobility Management Entity) situé dans le cœur du réseau Evolved Packet Core (EPC). L’interface S1-U supporte les flux des données utilisateurs (voix et données) allant ou venant des SGW (Serving GateWay) situés dans le cœur du réseau.
La connexion physique des eNode B 4G au cœur du réseau LTE (nommé « EPC ») est réalisée par un réseau de backhaul généralement constitué de liaisons en fibres optiques supportant les protocoles IP (IPv4 et IPv6).
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