L’architecture du réseau de mobiles 4G
1.3. L’évolution de l’architecture
Afin de faire face à un trafic de plus en plus élevé et afin d’accroitre la couverture, les opérateurs doivent densifier leur réseau cellulaire en ajoutant soit des relais RN (Relay Node) soit des stations de base. La portée de chaque relai ou station est réduite (d’une dizaine de mètres à quelques kms) et constitue ainsi des petites cellules (small-cell).
La release R.10 introduit la notion de relai et des réseaux hétérogènes, la release R.11 optimise les déploiements hétérogènes et la release R.12 propose une optimisation de la mobilité des mobiles UE dans le réseau hétérogène. La release R.12 propose de plus la gestion des cellules (On/Off) selon le trafic. La gestion des cellules répond à deux besoins : Réduire la consommation d’énergie du réseau et réduire les interférences d’une station de base eNB vers une autre station de base eNB.
1.3.1. Les relais
Le nœud relais RN communique avec l’entité eNB via l’interface air nommée Un (backhaul). L’entité eNB se nomme DeNB (Donor eNB) pour le relai RN. L’entité DeNB supporte les fonctionnalités de proxy S1 et X2. A ce titre, il apparait à la fois comme une entité MME pour le RN (interface S1-MME), comme une station de base eNB pour le le RN (interface X2) et comme une entité SGW pour le RN (interface S1). Le mobile UE est connecté au relai via l’interface Uu traditionnelle. Un relai RN ne peut pas être lui-même un relai pour une station de base eNB. Dans les releases R.10 et R.11, le handover inter-relai n’est pas supporté.
On distingue deux types de relai : Les relais aussi appelés répéteurs (Amplify and Forward Relay) récupère le signal émis par la station de base eNB et le re-transmet, amplifiant ainsi le bruit de réception (sans amélioration du rapport signal sur bruit SNR). Pour améliorer la transmission, il est préférable de décoder le signal et le re-transmettre. Il s’agit des relais de type Decode and Forward.
Quel que soit le type de relai, ce dernier est transparent pour le mobile UE, ce qui signifie :
- le RN contrôle une cellule et apparait pour l’UE comme une cellule différente du DeNB. Il dispose ainsi de son propre identifiant PCI, de ses signaux de références ;
- l’UE reçoit les informations de contrôle d’ordonnancement, l’HARQ et retourne les informations de buffer, de canal CQI et d’ACK au RN
Le relai RN possède deux connexions physiques radios, l’une vers la station de base DeNB, l’autre vers el mobile UE.
Dans la release R.8, afin de ne pas générer d’interférences, le relai RN communique soit sur deux bandes de fréquence différentes entre le mobile UE et la station de base DeNB (isolation RF – outband relay) ou sur une zone géographique non couverte par la station de base eNB en utilisant la même bande de fréquences (inband relay).
La Release R.10 propose de faire du multiplexage temporel entre la communication du relai RN vers la station de base DeNB et la communication du relai RN vers le mobile UE pour le scénario Inband Relay. La gestion de la connexion est gérée par la couche RRC. Les sous trames du lien descendant de la station de base DeNB vers le relai RN sont configurées au niveau du relai RN comme un canal de communication de type MBSFN (Multibroadcast Single Frame Radio) afin de maintenir la compatibilité avec la release R.8 : Le MBFSN permet à la station de base eNB et au relai RN de transmettre sur les 2 premiers octets de la sous-trame (cas du préfixe CP long) la signalisation (PDCCH, PCFICH, PHICH) sans avoir à transmettre les signaux de références (RS). Les sous-trames réservées pour le MBSFN sont les sous trames 1,2, 3, 6, 7 et 8.
Le relai est alors configuré en sous trames MBSFN et de nouveaux canaux de contrôle (R-PDCCH) et de données (R-PDSCH) sont introduits pour utiliser les symboles inoccupés de la trame MBSFN en voie descendantes de la station de base DeNB vers le relai RN. Le R-PDCCH porte les informations de contrôle DCI (Downlink Control Information) pour les relais RN et sont transmis à la place des données du canal PDSCH.
Si la sous trame de numéro n est allouée pour une transmission sur le lien descendant de la station de base DeNB vers le relai RN alors la sous-trame n+4 sera allouée pour le sens montant du relai RN vers la station de base DeNB. Il ne peut donc pas avoir de communication entre le mobile UE et le relai RN pendant cette sous-trame. Il suffit au relai RN de n’allouer aucune ressources PUCCH sur ces sous-trames (ou PDCCH pour la trame précédente). Par contre, le relai RN utilise les sous-trames restantes pour communiquer avec l’UE.
A partir de la release R.10, la 3GPP prévoit des scénarios de déploiement ou les petites cellules sont des entités eNB localisées dans une zone déjà couverte par une macro-cellule, on parle alors de déploiement hétérogène. Toutefois, si le nombre de petites cellules est très élevé, les interférences entre cellules seront importantes. Pour réduire les interférences entre cellules, la release R.12 propose un mécanisme permettant d’activer ou de désactiver des petites cellules en fonction de la charge du trafic (Small Cell On/Off) ou d’augmenter la taille de la cellule (Cell Range Expansion).
1.3.2. Les réseaux hétérogènes
Afin de fournir une capacité élevée (débits par km²), il est nécessaire de densifier l’accès radio en augmentant le nombre de nœuds. Le déploiement hétérogène consiste à superposer aux macro-cellules (réseau overlaid) un réseau de petites cellules (hot-spot, pico-cellules, micro-cellules : réseau underlaid) comme le montre la figure 1.11.
Figure 1.11. Déploiement hétérogène
Le LTE est une technologie d’accès radio large bande, utiliser des bandes différentes entre le réseau overlaid et underlaid conduit à une fragmentation spectrale non optimale. La gestion des interférences est donc un enjeu majeur pour le déploiement hétérogène à re-utilisation de fréquence (single frequency reuse). Nous verrons la gestion des interférences dans le chapitre 4.
Toutefois, si l’opérateur a déployé son réseau de macro-cellules sur une bande de fréquences basses (700 ou 800 MHz), il va plutôt préférer utiliser une fréquence élevée pour les petites cellules.
Dans l’un des trois cas suivant; démarrage, perte de couverture ou de manière périodique, le mobile UE fait une sélection de cellules en identifiant les cellules à partir des signaux de synchronisation et l’identifiant de cellule PCI (Physical Cell Identity) émis par les stations de base eNB. Une fois la cellule sélectionnée, en mode de veille, le mobile UE détecte les cellules voisines et peut faire une demande de re-sélection de cellule.
En LTE, le choix de re-sélection de cellule dépend :
- De la fréquence de la bande
- Du réseau cellulaire d’accès (2G/3G/4G) nommé RAT
Le mobile UE dispose de critères de déclenchement de recherche de cellule afin d’éviter de faire en permanence des mesures radios. Les règles définies pour le LTE sont les suivantes :
- le mobile UE doit faire des mesures sur une fréquence ou un RAT plus prioritaire que la cellule sur laquelle il est connecté ;
- une fois à l’écoute de la cellule la plus prioritaire, tant que la puissance du signal de la cellule sur laquelle l’UE est connecté est supérieure à un seuil de référence, l’UE ne fait pas de recherche de cellules voisines. Cela évite à l’UE de consommer de l’énergie pour faire des recherches de cellules ;
- si le niveau de la cellule est inférieur à un seuil, l’UE doit réaliser des mesures sur des cellules voisines
En mode de veille, lorsque le critère de déclenchement est atteint :
- le mobile UE re-sélectionne une cellule plus prioritaire ;
- le mobile UE re-selectionne une cellule de même priorité sur la même fréquence ou sur une fréquence différente en comparant la puissance reçue par la cellule serveuse et les cellules voisines (à partir du signal de référence RSRP). Pour éviter les effets de ping-pong, la puissance mesurée (RSRP) sur la cellule serveuse est augmentée d’une valeur d’hysteresis alors que les puissances mesurées sur les cellules cibles sont diminuées d’une valeur d’Offset. Les valeurs d’offset et de trigger sont émises par chacune des stations de base eNB dans les messages d’informations SIBs.
En mode de veille, le mobile UE peut donc sélectionner une petite cellule grâce aux valeurs d’offset et d’hystéresis paramétrés sur chacune des stations de base eNB.
En mode connecté, la sélection est déclenchée par la station de base eNB en fonction des mesures réalisées par le mobile UE et transmis au mobile UE par le protocole RRC.
Dans le cas déploiement hétérogènes, le mobile UE peut être sous la couverture de stations de bases différentes comme par exemple sous la couverture d’une macro-cellule et d’une pico-cellule comme le montre la figure 1.12.
Si le mobile UE est à l’intérieur de la zone de couverture de la pico-cellule, les liens montant et descendant seront réalisés par la pico-cellule. La zone de couverture est dimensionnée par rapport à la puissance d’émission du nœud. Si le mobile UE est à la périphérie de la zone de couverture, il recevra un meilleur signal en provenance de la macro-cellule mais le lien montant sera moins atténué avec la pico-cellule. Cependant, le mobile UE établi une connexion RRC qu’avec une seule entité eNB.
Figure 1.12. La communication bi-directionnelle dans un réseau hétérogène
Le CRE (Cell Range Expansion) est une technique qui permet d’augmenter la zone de couverture de la pico-cellule afin de décharger le trafic de la macro-cellule.
Figure 1.13 : L’ajustement automatique de la taille des cellules
Le mobile UE mesure le niveau de puissance de la cellule macro et de la pico en ajoutant un biais de 6 à 9 dB sur la puissance RSRP mesurée au niveau de la cellule pico.
1.3.3 Le mécanisme d’extinction des cellules
Même en l’absence d’utilisateur, les stations de base eNb émettent en permanence des signaux de références CRS, des informations de synchronisation (PSS/SSS) et des informations de la voie balise (BCCH). Cela permet à un mobile UE en mode de veille de détecter la présence de station de base eNB. Dans le cas des pico-cellules, la probabilité qu’il n’y ait aucun mobile UE connecté dans la zone de couverture de la pico-cellule n’est pas négligeable. Ainsi, pour réduire les interférences (le rapport signal sur bruit), la release R.9 et le mécanisme SON (Self Optimized Network) permet d’éteindre des cellules lorsque la station de base est très peu chargée. La station de base ne transmet plus aucun signal, elle est à l’état dormant mais peut être réveillée par une station de base voisine via l’interface X2.
Lorsque le réseau décide de basculer une cellule à l’état OFF (peu de trafic), la station de base libère les connexions existantes via le mécanisme de handover ou de re-direction vers une autre cellule. Ainsi, la technique d’extinction d’une pico-cellule ne peut se faire que si d’autres stations de base peuvent couvrir la zone de la pico-cellule.
Toutefois, le fait qu’il n’y ait pas de mobile UE connecté avec la pico-cellule (RRC Connected) n’exclut pas l’existence de mobiles UE en mode de veille à l’écoute de la pico-cellule. De plus, le passage de la pico-cellule de l’état dormant à l’état actif prend une centaine de millisecondes, ce qui ne permet pas de suivre efficacement le trafic et la mobilité des utilisateurs.
La release R.12 améliore l’efficacité du mécanisme d’extinction de cellule afin d’accélérer le temps de passage de l’état dormant à l’état actif en proposant deux mécanismes supplémentaires :
- Transmission d’un signal de découverte DRS (Discovery Reference Signal)
- Utiliser la commande RRC SCell Activation/Deactivation
Lorsque la cellule est à l’état dormant, la release R.12 propose de transmettre périodiquement un signal de découverte DRS permettant aux mobiles UE supportant cette fonctionnalité de découvrir l’existence de la cellule dormante et de faire des mesures sur cette cellule. Le signal DRS est transmis sur deux sous-trames, afin d’assurer une compatibilité avec les évolutions antérieures : le DRS est composé du PSS, SSS, CRI-RS et du CRS comme le montre la figure 1.14. Le retour des mesures effectuées par le mobile UE vers la macro-cellule peut inciter le réseau à basculer la pico-cellule à l’état actif et le mobile UE peut rapidement se connecter sur la pico-cellule pour l’agrégation de porteuses. Ainsi, la pico-cellule n’est vu que comme une cellule secondaire et le mobile UE active/désactive une connexion avec la cellule par la procédure RRC Activation/Déactivation.
Figure 1.14: Découverte de la cellule : DRS
La périodicité du DRS peut être de 40, 80 ou 160 ms.