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Cours 3 – Niveau Master – Chap 2 (Part 1)

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L’agrégation de porteuses sur les bandes licenciées et non licenciées

3.1. Principe d’agrégation de porteuses pour le LTE-Advanced

En théorie de l’information, le débit maximum de transmission à travers un canal de communication dépend de la bande de fréquence B utilisée et du rapport signal sur bruit (SNR : Signal Noise Ratio). Le théorème de Shannon-Hartley donne une limite maximale C pour bruit gaussien :

C=B.log2(1+SNR)

(la démonstration mathématique à partir de la théorie du signal se trouve facilement sur Internet)

La bande de fréquence B utilisée par le LTE est au plus égale à 20 MHz. L’agrégation de porteuses (Carrier Aggregation ou CA) permet d’atteindre des débits de transmission beaucoup plus rapides en augmentant la bande de fréquence.

L’agrégation de porteuse est une fonctionnalité qui est apparue avec le LTE-Advanced (LTE-A R.10), pour le mode duplex FDD ou TDD (Frequency Division Duplex, Time Division Duplex).

Avant la R.10, les terminaux de catégorie 1 à 5 étaient mono-porteuse sur une bande comprise entre 1.4 MHz et 20 MHz. Les premiers tests d’agrégation de porteuses ont été réalisés sur des terminaux de catégorie 4 et sur deux bandes de 10 MHz. Les terminaux de catégorie 6 sont disponibles depuis 2014, et permettent d’atteindre des débits de 300 Mbps (en DownLink DL) en supportant deux bandes de 20 MHz. Les terminaux de catégories 9 disponibles à la vente depuis 2015 supportent 3 bandes de 20 MHz, ce qui permet d’atteindre un débit de 450 Mbps. Les terminaux de catégories 4, 6 et 9 possèdent 2 antennes et supportent la modulation 64 QAM sur le lien descendant. Pour ces terminaux, une bande de 20 MHz correspond à un débit de 150 Mbps. En pratique, pour un opérateur qui disposerait un total de 45 MHz sur 3 bandes différentes pourrait proposer un débit maximal descendant de 337.5 Mbps avec ces catégories de terminaux.

On peut ainsi définir une première classification des catégories de terminaux en vente en 2017 en fonction du nombre de canaux de fréquences supportés :

Tableau 2.1. Catégories de terminaux définies dans la R.10 et R.11

Le LTE-Advanced étend l’agrégation de porteuses à 5 canaux, portant à 100 MHz la bande maximum. L’UE de catégorie 8 (également défini dans la R.10) supportera cette fonctionnalité.

Dans les R.10 et R.11, le nombre de porteuses pour le lien montant est inférieur ou égal au nombre de porteuses pour le lien descendant.

Dans la R.12, les UE peuvent réaliser de l’agrégation de porteuses en mode TDD et conjointement en mode FDD. La R.12 propose 80 combinaisons de deux porteuses et quelques combinaisons de trois porteuses.

La R.13 ajoute de nouvelles combinaisons de porteuses pour 2, 3, 4 et 5 porteuses et étend la combinaison avec les bandes WiFi. La R.13 a normalisé 492 combinaisons de porteuses pour l’agrégation de deux bandes, 248 combinaisons sur 3 bandes, 56 combinaisons pour 4 bandes et 2 combinaisons pour 5 bandes.

3.2. Mécanisme d’agrégation de porteuses

Le principe consiste à augmenter la bande utilisée par le mobile pour accroitre son débit, on nomme Component Carrier (CC) chaque bande agrégée. L’UE est connecté avec un seul eNb, l’eNb dispose de plusieurs bandes de fréquences contiguës ou disjointes.

Après avoir décrit les fonctionnalités de l’Agrégation de porteuses, nous allons maintenant étudier son mécanisme.

En mode de veille, l’UE écoute les informations émises par l’eNb (canal balise, paging) sur la bande de fréquence spécifique à la cellule. Si l’UE doit émettre ou recevoir des données, il doit passer en mode connecté (RRC Connected). L’UE pouvant exploiter plusieurs bandes de fréquences, on différencie la PCC (Primary Component Carrier) correspondant à la bande sur laquelle l’UE échange la signalisation NAS et les données avec l’eNb (PCell : Primary Cell) et le(s) SCC (Secondary Component Carrier) les bandes sur lesquelles l’UE échangent les données avec les autres cellules (SCell : Secondary Cell). Les paramètres de la cellule primaire et des cellules secondaires sont configurés au niveau RRC. Ainsi, la PCC est modifiée uniquement par une procédure de Handover et les SCC peuvent être dynamiquement activées et désactivées par des nouvelles requêtes RRC. Dans le cadre du CA, l’UE ne dispose que d’une seule connexion RRC avec l’eNb.

Figure 3.1. Impact de l’agrégation de porteuses sur l’interface radio

Toutes les SCC sont considérées comme des ressources de transmission additionnelles. Les couches Physique et la couche MAC sont les deux couches impactées par la CA (Figure 2.1), avec de nouvelles requêtes RRC :

  • La couche Physique réalise la transmission d’un bloc de transport (TB), la retransmission rapide des paquets erronés via le mécanisme HARQ est réalisée sur chaque CC.
  • L’allocation de ressources est réalisée sur le canal PDCCH. Dans le cas de l’agrégation de porteuses, soit le PDCCH de chaque cellule assigne les ressources pour sa cellule (self scheduling), soit un seul PDCCH assigne les ressources pour toutes les cellules (PCell et SCell). Ce scénario se nomme Cross Carrier Scheduling.

Figure 3.2. Séquencement avec et sans cross scheduling

La couche MAC multiplexe les données issues de la couche PDCP et RLC sur les différentes porteuses.

La signalisation relative à l’agrégation de porteuses est donc transparente pour le protocole de convergence des paquets de données (PDCP) et pour la couche de contrôle des liaisons radio (RLC).

L’UE doit en retour émettre un acquittement pour chaque HARQ. Dans la R.10, le lien étant asymétrique, l’UE doit pouvoir, sur le canal montant, transmettre les acquittements (ACK/NACK) de chaque HARQ ainsi que des mesures du lien radio (CQI, PMI, RI). Le PUCCH de format 3 permet de compiler les informations.

Concernant le lien montant, l’UE doit émettre ses données avec un temps d’avance (TA Timing Advanced) afin de compenser la durée du trajet de l’onde Radio et assurer ainsi une synchronisation avec la trame en réception de l’eNb. Lorsque l’UE réalise de l’agrégation de porteuse, les antennes de réception (RRH) peuvent être déportées (se référer au chapitre 1), et le temps de trajet n’est donc pas identique sur chacune des porteuses. Si la R.10 ne gère le TA que pour la Pcell, la R.11 permet d’appliquer des TA différents selon la bande de fréquence.

LTE Gigabit

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Entre la Release 8 qui normalise le LTE et la Release 15 qui a va standardiser le réseau 5G, le réseau LTE a connu trois phases d’évolution importante :

  • LTE – R8/R.9
  • LTE-Advanced aussi nommé la 4.5G : R10 à R12.
  • LTE-Advanced Pro ou 4.9 G : R13/R14.

Réseau opérateur : Accès radio

L’évolution du cœur radio du LTE-Advanced permet d’atteindre des performances allant à 1 Gb/s sur le lien radio. On retrouve ainsi cette norme sous le nom commercial LTE Gigabit. Le premier déploiement du LTE Gigabit a été lancé par Telstra en février 2017 avec Qualcomm et Ericsson mais Monaco a également déployé ce réseau.

Pour comprendre les performances atteintes, revenons sur le principe radio du LTE :

  • Bande spectrale : 20 MHz
  • Modulation DL : QPSK, 16 QAM, 64 QAM et 256 QAM
  • MIMO : Pas de MIMO, MIMO 2×2, MIMO 4×4.
  • Agrégation de porteuse (CA).

Dans un précédent article, nous avions estimé le débit total LTE à 100 Mbps sans MIMO et avec une modulation 64 QAM. L’estimation était biaisée car le trafic estimé prenait en compte à la fois les signaux de références et les canaux de contrôle PDCCH, ainsi que les canaux de synchronisation et de broadcast (PSS, SSS, BCCH). Prenant en compte que le PDSCH, le débit utile maximal était de 75 Mbps.

L’évolution de la modulation de 64 QAM à 256 QAM permet de transmettre 8 bits par symbole (256 QAM) au lieu de 6 bits par symbole (64 QAM), améliorant d’un rapport 4/3 le débit.

L’utilisation de 4 antennes en émission et en réception permet la transmission simultanée de 4 flux de données, soit une augmentation de débit 4 fois supérieure.

Au total, on arrive donc à un débit maximum de 400 Mbps.

L’agrégation de porteuses permet à l’opérateur de proposer plusieurs bandes LTE pour un seul UE. Le LTE a terme proposera, pour un seul UE, jusqu’à 5 bandes LTE. L’opérateur dispose de plusieurs bandes LTE. En France, les opérateurs disposent de bande de 10 MHz, 15 MHz ou 20 MHz sur les fréquences de 800 MHz, 2600 MHz et 1800 MHz. Prochainement, les opérateurs utiliseront les bandes de 700 MHz.

Avec 20 MHz de bande, le 4×4 MIMO et une modulation de 256 QAM, le débit utilisateur maximal est de 400 Mbps. Ainsi, avec 30 MHz de bandes supplémentaires sur 3 porteuses différences, les opérateurs en France pourront proposer du Gigabit LTE.

Pour résumer, l’opérateur doit disposer d’un minimum de 50 MHz de bande pour pouvoir commercialiser du Gigabit LTE sur 3 porteuses différentes.

Les terminaux : Catégorie de UE

Les terminaux doivent aussi supporter de telles fonctionnalités. La 3GPP a défini différentes catégories de terminaux, et seuls les terminaux de catégorie 16 vendus actuellement supportent de telles performances. Le premier terminal est le Samsung S8 avec la puce Exynos 8895.

A ce jour, on liste :

  • HTC U11
  • LG V30
  • Sony Xperia XZ1
  • Iphone X

L’IPhone 8 n’utilise pour l’instant que du MIMO 2×2, mais les prochains terminaux vendus en 2018 devraient (?) profiter de nouvelles puces pour exploiter le MIMO 4×4.

MTC : Le réseau M2M / IoT sur la 4G – 2ème partie

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Au cours de l’article précédent, nous avions évoqué les évolutions du réseau 4G vers le MTC. Cette évolution est une brique de base pour le réseau 5G et les fonctionnalités que nous avions décrites sont les 4 suivantes :
• control plane CIoT EPS optimization
• user plane CIoT EPS optimization
• EMM-REGISTERED without PDN connection
• S1-U data transfer and header compression

(Je vais reprendre la notation de l’article précédent)
II-3-a) Control plane CIoT EPS optimisation
C-Plane CIoT EPS Optimization est une méthode destinée à encapsuler les données utilisateurs dans les messages du plan de contrôle. En évitant de mettre en place de la signalisation pour rétablir les bearer, cette méthode permet de réduire le nombre de message sur le plan de contrôle lorsque les données à transmettre sont de petites tailles et par conséquent, on réduit la bande utilisée et la consommation du dispositif.
Les fonctionnalités supportées par cette méthode sont :
• Transport de données utilisateurs (IP et Non IP)
• Point d’ancrage de la mobilité du dispositif
• Compression d’entête pour les flux IP
• Protection par intégrité et chiffrement de la Data transmise dans le plan de contrôle
• Interception légale.
Cette méthode s’appuie sur le MME, ce dernier est considéré comme un nœud de transfert de données et l’eNb est vu comme un relai :
• entre l’UE et le PGW (connectivité PDN : UE -> eNb -> MME -> SGW -> PGW) en utilisant les protocoles de signalisation (S1-AP et GTP-C)
• ou entre l’UE et l’entité SCEF (connectivité PDN : UE -> eNb -> MME -> SCEF).

Si l’UE a un stack IP, les données sont transmises en IP de l’UE vers le PGW.

Figure 5a : Control plane IP DATA

Si l’UE ne contient pas de stack IP (NIDD), les données sont transmises au MME via le protocole S1-AP et envoyées soit vers le PGW soit vers le SCEF. Lorsque l’UE fait une demande de connexion vers l’AS en non IP, l’UE indique l’APN  de passerelle. Le choix de la connectivité PDN entre le PGW et le SCEF est défini au niveau du HSS dans la donnée de souscription APN.

Le profil du device au niveau du HSS indique l’APN que doit utiliser le dispositif pour transmettre des données non IP. L’APN route les messages vers le PGW ou vers le SCEF.

On considère ici que l’APN renvoie vers le PGW.

Lorsque l’UE fait une demande d’attachement, il indique :

  • Qu’il souhaite une connection PDN non IP
  • Le réseau utilise l’APN fourni par l’UE ou l’APN contenu dans le profil de l’UE au niveau du HSS et transmis au MME
  • Le PGW donne à l’UE la taille maximale autorisée des paquets (qui peut etre de 128 octets)
  • Les paquets non IP sont transmis via le plan de contrôle par des messages NAS

 

Figure 5b : Control plane Non IP DATA vers le SGW

 

Connection non IP via le SCEF

Dans les deux cas, l’UE émet une demande de transmission de données via la procédure RRC SERVICE REQUEST en encapsulant le message ESM DATA TRANSPORT (message NAS entre l’UE et le MME via l’eNb en relais). Dans le cas précis ou l’UE ne contient pas de stack IP, il informe le MME qu’il souhaite établir une connexion PDN non IP.

Dans le cas de données entrantes :

  • Les données peuvent être bufferisées dans le SGW lequel transmet un message de notification « Downlink Data Notification Message » au C-SGN. Le C-SGN répond au SGW en indiquant le temps restant avant que le device soit joignable (PSM Mode). Cela permet au SGW d’étendre le temps pendant lequel le message sera conservé.
  • Les données peuvent être bufférisées dans le SCEF

 

II-3-b) User plane CIoT EPS optimisation

Dans le cas ou l’UE supporte l’optimisation sur le plan de données (User Plane CIoT EPS Optimization), il doit obligatoirement supporter la méthode S1-U Data transfer. Ainsi,  les données sont transmises via l’interface S1-U, c’est-à-dire entre l’eNb et le SGW.

L’optimisation User plane CIoT EPS optimisation est apportée par une amélioration du contrôle de bearer et par de nouveaux messages RRC ainsi que de nouveaux états RRC permettant un établissement de bearer plus rapide et plus efficace.

 

Les nouveaux états RRC sont : RRC-Suspend et RRC-Resume.

  • Procédure RRC Suspend. Cette procédure est activée par l’eNb permet de libérer le bearer radio entre l’eNb et le device, ainsi que le bearer S1 entre l’eNb et le SGW. Au niveau du SGW, cela supprime dans la table de contexte le numéro d’identifiant TEID du flux et l’adresse IP du eNb mais les autres informations sont conservées (QoS, clé de sécurité,…). Le MME conserve les informations de la connexion S1-AP et du bearer, place le device dans l’état ECM-Idle et répond à l’eNB de la libération du bearer par le message UE Context Suspend response. Le eNB conserve le contexte mais transmet à l’UE le message « RRC Connection Suspend ». Le device conserve les informations AS (clé de sécurité, information sur le flux de trafic) et se met en état ECM-Idle et RRC-Idle
  • Procédude RRC Resume permet de ré-activer les états qui ont été sauvegardés au niveau du device, de l’eNb et du MME. Dans un premier temps, le device récupère les informations de la couche AS et contacte l’eNB. Ce dernier accomplit une vérification de la sécurité pour ré-établir le bearer radio. L’eNB informe le MME par le message « UE Context Resume Request » de la ré-activation du bearer radio. Le MME récupère le profil du S1-AP et place le device dans l’état ECM-Connected. Il retourne vers l’eNb une confirmation « UE REsume Context Response » contenant l’adresse IP du SGW et le MME envoie l’adresse du eNb et le TEID du eNB (informations S1-AP conservées) vers le SGW.

Figure 6 : Messages RRC reprendre ou suspendre un contexte

 

Figure 7 : Call Flow

Pendant l’état RRC-Suspend, le device n’a plus de connexion radio. Il peut de plus être en mode eDRX, donc en cas de mobilité il ne détecte pas le changement d’eNB. Lorsque le device exécutera la procédure RRC Resume vers le nouvel eNb, celui-ci va demander à l’ancien eNb de lui transférer les informations AS. L’ancien eNb en profite pour supprimer le contexte (clé de sécurite, …). Le nouveau eNb crée un TEID, informe le MME lequel transfère le nouveau TEID et l’adresse du nouvel eNb vers le SGW.

De plus, cette méthode permet aussi de transférer des données non IP entre le SGW et le PGW

II-3-c) EMM-REGISTERED without PDN connection

Lors de la procédure d’attachement, l’UE informe le MME qu’il peut être dans l’état EMM-REGISTERED without PDN connection par le message “attachwithoutPDN Connectivity”. Classiquement, un smartphone (Human UE) émet dans la requête EMM d’attachement  un message ESM pour définir les caractéristiques du bearer par défaut. Dans le cas qui nous intéresse, le message ESM PDN CONNECTIVITY REQUEST est remplacé par le message ESM DUTY MESSAGE, l’UE reste connecté au réseau (EPS attached) même si toutes les connexions PDN ont été libérées. On se retrouve donc dans le cas 3G ou le contexte de l’UE n’existe pas au niveau des entités du réseau.

Remarque : « EMM-REGISTERED without PDN connection » à la même signification que « EPS attach without PDN connectivity

Lorsque le dispositif s’allume, avant d’émettre sa demande d’attachement, il lit le SIB2 transmis par l’eNb pour savoir vérifier la compatibilité de la cellule. Si le MME ne supporte pas l’état « EMM-REGISTERED without PDN connection » alors l’UE établie un bearer par défaut. Lorsque l’UE souhaitera émettre des données, un bearer EPS par défaut sera mis en place sauf si l’UE indique une méthode de transmission, par exemple SMS seulement, lors de son attachement.

II-3-d) S1-U data transfer and header compression

L’UE qui supporte le User Plane Optimisation EPS doit supporter le S1-U data transfer afin de transmettre les données sur le plan utilisateur.

On suppose maintenant que l’UE et le MME supporte à la fois la fonctionnalité S1-U data transfer et la fonctionnalité Control Plane EPS Optimization pour encapsuler la DATA entre le CN et l’UE dans des messages NAS

Lorsque le MME reçoit une requête de connexion PDN, le MME détermine la quantité de données à transmettre sur le lien UL et DL et décide ainsi si les données doivent être transmises sur le plan de contrôle ou sur le plan utilisateur. Il vérifie également si l’UE peut supporter

 

Figure 8 :  Etablissement du S1-U bearer pendant le transport de données dans le plan de Controle

1 – L’UE transmet/reçoit des données dans le plan de control (Control Plane CIoT EPS Optimisation).

2 –3 L’UE reçoit une réponse pour faire une demande d’établissement de bearer dans le plan utilisateur (User Plane Bearer). Dans ce cas, l’UE envoie un message NAS vers le MME. Le message est encapsulé dans un message RRC-Service Request émis au eNb, et un message S1-AP UL entre le eNb et MME. De manière classique, le message contient les informations suivantes :

  • NAS message
  • TAI+ECGI de la cellule sur laquelle l’UE est en communication
  • S-TMSI
  • CSG ID (si la cellule sur laquelle est connectée le mobile est une cellule CSG)
  • CSG access Mode

4 – Le MME fait le transfert des données transmises sur le plan de signalisation vers le bearer

Dans le prochain article, nous décrirons certaines procédures et protocoles

LTE-Advanced (4G+) sera prochainement commercialisé

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LTE-Advanced

Le LTE-Advanced, dénommé aussi LTE-A, a été défini dans la R10 (démarré en octobre 2009) et prévoyait une augmentation du débit en utilisant plusieurs porteuses (agrégation de porteuses). En 2013, les équipementiers expérimentaient les premiers smartphones (cf article S4-LTE-A) et depuis quelques mois les opérateurs Français (notamment Bouygues, Orange et Free) expérimente le LTE-A.

L’idée à déjà été exploitée en 3G avec la dénomination Dual Carrier et s’appuie sur le fait que le débit dépend de la bande de fréquence utilisée : Plus la bande est importante, plus le débit est élevé.

Concernant le LTE, celui-ci exploite une bande de 20 MHz au maximum ce qui permet d’avoir un débit de 150 Mbit/s. En agrégeant 5 porteuses, la bande totale atteint 100 MHz, le débit peut donc être 5 fois plus élevé. En augmentant le nombre d’antennes (MIMO) au niveau de l’émetteur et du récepteur et en améliorant la modulation radio (jusqu’à 256 QAM) lorsque les conditions radios sont excellentes (smartphone proche de l’antenne), le débit peut dépasser le Gbps.

Le LTE-A est défini pour atteindre des débits descendants de 1 Gbps. Son successeur, Le LTE-B, selon Huawei pourrait atteindre plusieurs dizaines de Gbps.

Figure 1

Expérimentation en France de la 4G+

En février, Bouygues dégainait en annonçant le réseau 4G sur Bordeaux et Lyon à partir de Juin 2014 en profitant du re-farming pour avoir la bande suffisante. Orange répliquait en annonçant l’expérimentation du LTE-A sur Bordeaux (pour un débit de 300 Mbps et une bande de 2*20 MHz).

Pour profiter du LTE-A, il faudra un nouvel abonnement (en augmentant la volumétrie de votre abonnement) mais également un smartphone compatible (évolution logicielle)

Free a utilisé un drone pour expérimenter la couverture en 4G+. Cela rappelle l’expérimentation Globalstar et Iridium avec des satellites en basses altitudes (LEO), enfin lisez bien la note du bas d’article (et regardez la date de publication).

Image

Après ce coup de buzz de ZDnet (qui publie de très bons articles), retenez l’arrivée de la 4G+ pour Bouygues et Orange en Juin 2014, et SFR à partir de septembre.

IPAD 3 : La présentation pour le 7 mars

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La vidéo de l’IPAD3 est diffusée sur Youtube, je vous propose tout de suite de visualiser cette vidéo (et d’alimenter la rumeur…)

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    Ce n’est qu’une représentation de ce que serait l’IPAD3, pas de grande rupture de style avec l’IPAD2, mais après tout c’est ce style qui plait. Au niveau application, on s’attend à l’utilisation de l’utilitaire vocal SIRI sur l’iOS 5.1 pour le 7 mars mais l’IOS serait installée pour la commercialisation des IPAD3.

Et le LTE? Apple travaille déjà sur le code depuis un moment, il ne reste plus qu’à insérer le chipset radio. Mais le problème principal est la consommation. Augmenter la batterie, c’est augmenter le risque d’augmenter sa taille et de ne plus correspondre au style présenté dans la vidéo.

 

Selon la source (MIC Gadget), Apple ne passera pas au LTE et préfère attendre 2015 (LTE-Advanced Release 10) que la technologie Carrier Aggregation soit implémentée. Ne croyez pas à cette rumeur, la release 10 n’est qu’une avancée mineure du LTE (enfin mineure, disons mineure par rapport au passage de la 3G au LTE).  En effet, l’agrégation de porteuses est une technique (déjà utilisée en WiFi) permettant d’exploiter plusieurs canaux de fréquence pour atteindre un débit descendant (et théorique) de 1Gbps. Théorique car il est nécessaire d’être le seul à utiliser le réseau pour atteindre cette performance.

Pour ma part, la raison la plus réaliste reste la batterie. Apple a t’il trouvé un fournisseur avec une nouvelle technologie permettant de garantir plusieurs heures d’autonomie en utilisation? Le nouvel ipad devra aussi avoir une fonction alimentation avancée pour ne pas scruter le réseau sans utilisation de l’intéressé, mais cette partie là n’est que du soft et de nombreuses solutions existent dont le stop and go.

 

La présentation officielle est attendue pour le 7 mars, encore quelques jours d’attentes pour voir ce bijou technologique pour un prix oscillant de 559 euro à 899 euros selon les options (WiFi et 3G/4G? et 64 G0).