Architecture LTE : Éléments et Protocoles

Conception et Planification des Réseaux de Radio Mobile : Architecture des Réseaux 4G LTE

Ce cours explore l'architecture des réseaux 4G LTE, en détaillant les éléments constitutifs, leur rôle, et la distinction entre le plan de contrôle et le plan utilisateur.

Architecture du LTE : Éléments Visibles du Réseau

Les éléments visibles du réseau LTE incluent l'UE (User Equipment), la carte SIM, les antennes, l'eNodeB, l'EPC (Evolved Packet Core) et l'E-UTRAN.

1. Terminal : User Equipment (UE)

Les catégories d'UE en LTE définissent les capacités techniques des terminaux, notamment en termes de débit maximal, de nombre de couches MIMO et de bande passante supportée. Chaque catégorie (de Cat 1 à Cat 20) correspond à une performance croissante.

2. Terminal, SIM : User Equipment (UE)

• L'UE doit être muni d'une carte SIM (Subscriber Identity Module), fournie par l'opérateur.
• Pour les mobiles 3G/4G, la carte s'appelle USIM (Universal Subscriber Identity Module).
• La carte SIM contient des données d'abonnement comme l'IMSI (International Mobile Subscriber Identity), une identité d'abonnement unique.

Types et Formats de Cartes SIM

Les cartes SIM sont indispensables et existent sous plusieurs formats et technologies :

• Selon la technologie :
  1. SIM (Subscriber Identity Module) :
     • Utilisée dans le GSM (2G).
     • Stocke l'IMSI et la clé d'authentification (Ki).
  2. USIM (Universal SIM) :
     • Utilisée pour la 3G et 4G (UMTS/LTE).
     • Offre une sécurité renforcée et plus de fonctionnalités (SMS sur IP, plus de mémoire).
  3. ISIM (IP Multimedia Services Identity Module) :
     • Spécialisée pour les services IMS (VoLTE, VoWiFi).
     • Peut être intégrée dans la même carte qu'une USIM.
• Formats : Full → Mini → Micro → Nano → eSIM.

3. Station de Base (eNodeB)

Une station de base est un ensemble d'émetteurs-récepteurs munis d'antennes, permettant aux terminaux de communiquer par voie radio. En 4G, elle est appelée eNB ou eNodeB :

• e pour « evolved » (évolution par rapport à la 3G).
• Node pour nœud, car la station de base est insérée dans un réseau.
• B pour Base station.

Exemples d'eNodeB

• Mât d'antenne
• Antenne indoor
• Antenne en bas d'épaule
• Antenne murale

4. Antennes

En LTE, on distingue deux grands types d'antennes :

• Antenne passive LTE : Antenne simple avec une RRU (Remote Radio Unit) séparée.
• Antenne active LTE : Antenne intelligente avec électronique intégrée (souvent utilisée pour le Massive MIMO et le beamforming).

5. BBU (Baseband Unit)

La BBU est l'élément central de la station de base moderne. Son rôle principal est d'être l'unité de traitement numérique de la station. Elle s'occupe de toutes les fonctions de bande de base :

• Gestion des canaux radio.
• Codage et décodage.
• Chiffrement.
• Gestion de la mobilité (handover).
• Planification des ressources radio (scheduler).

Architecture du LTE : LTE Release

Plusieurs architectures ont été proposées pour améliorer la couverture et la capacité des réseaux mobiles :

• HomoNet : Réseau homogène, composé uniquement de macros-cellules.
• HetNet : Réseau hétérogène, combinant macros-cellules et small cells.
• FusionNet : Réseau fusionné (cellulaire + Wi-Fi + autres RAT) avec orchestration intelligente.

Architecture du LTE : LTE Requirements

Le LTE a été développé par le 3GPP pour répondre aux exigences de performance et de service définies par l'ITU (International Telecommunication Union).

Architecture du LTE : Cœur Terminologie

1. SAE (System Architecture Evolution) :
   • Concept d'architecture défini par le 3GPP pour faire évoluer le cœur de réseau vers le LTE.
   • Décrit une architecture plate, tout IP, avec séparation du plan de contrôle et du plan utilisateur.
2. EPC (Evolved Packet Core) :
   • Réalisation concrète du SAE.
   • Cœur de réseau LTE, constitué d'entités comme MME, SGW, PGW, HSS, PCRF.
3. EPS (Evolved Packet System) :
   • Représente le système LTE complet.
   • Composé de l'E-UTRAN (réseau d'accès radio = eNodeB) et de l'EPC (cœur de réseau).
   • EPS = EPC + LTE RAN.

Architecture du LTE : Éléments du Cœur de Réseau (EPC)

• MME (Mobility Management Entity) :
  • Gère la signalisation et la mobilité (pas de trafic utilisateur).
  • Authentification et sécurité (avec le HSS).
  • Attachement et détachement UE.
• SGW (Serving Gateway) :
  • Point d'ancrage du trafic utilisateur (plan de données) lors des handovers.
  • Routage et transfert des paquets IP entre l'eNodeB et le PGW.
  • Gestion du buffering et du paging Idle.

Architecture du LTE : LTE/EPC Network Architecture

• L'E-UTRAN est constitué d'eNodeBs, qui intègrent les fonctions de l'UTRAN/BSS des réseaux UMTS/GSM et contrôlent principalement les ressources radio.
• Le MME fournit des fonctions telles que la gestion de la mobilité, l'identification de l'UE et la sécurité. Il gère le plan de contrôle (interface S1-C pour la signalisation).
• Le S-GW termine l'interface S1-U (plan utilisateur pour les données) et d'autres interfaces E-UTRAN vers S11 et S5.
• Le P-GW termine l'interface SGi vers le PDN (Packet Data Network).

Plan Utilisateur et Plan de Contrôle

En LTE, le plan utilisateur et le plan de contrôle travaillent ensemble pour assurer une communication efficace. Le plan utilisateur est responsable de la transmission des données utilisateur (voix, vidéo, trafic internet), tandis que le plan de contrôle gère la signalisation, la gestion de la mobilité et le contrôle de session entre l'équipement utilisateur, l'eNodeB et le cœur de réseau.

• NAS (Non-Access Stratum) : Contrôle, mobilité, sécurité avec le MME.
• RRC (Radio Resource Control) : Gestion des connexions radio.
• PDCP (Packet Data Convergence Protocol) : Sécurité + compression.
• RLC (Radio Link Control) : Segmentation / réassemblage + fiabilité.
• MAC (Medium Access Control) : Scheduling + HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request).
• PHY (Physical Layer) : Couche physique, modulation OFDM.

Architecture du LTE : Control Plane Protocol Stack

• Les fonctionnalités RRM et RRC sont déplacées du RNC/BSC vers l'eNodeB.
• RRM (Radio Resource Management) : Gère l'allocation et le contrôle efficaces des ressources radio, assurant une couverture, une capacité, un handover et un équilibrage de charge optimaux.
• RRC (Radio Resource Control) : Gère la configuration des connexions, la libération, la mobilité et la QoS.
• STCP (Stream Control Transmission Protocol) : Assure une communication fiable, la redondance et l'ordonnancement des messages entre les éléments du réseau LTE.

Architecture du LTE : User Plane Protocol Stack

• Gère le transfert de données utilisateur, y compris la compression d'en-tête, la retransmission, le multiplexage et la transmission physique sur l'interface radio.
• Application layer : Pour les services (web, vidéo, ou trafic VoIP...).
• GTP-U (GPRS Tunneling Protocol - User plane) : Utilisé pour tunneliser les données utilisateur entre l'eNodeB, le SGW et le PGW.
• UDP/IP (User Datagram Protocol over Internet Protocol) : Fournit un transport léger pour les données sans établissement de connexion ni garanties de livraison.

Points Clés à Retenir

• L'architecture LTE est conçue pour une haute performance et une efficacité spectrale.
• Les UE sont classés par catégories selon leurs capacités de débit.
• Les cartes SIM (USIM) sont essentielles pour l'identification et la sécurité des abonnés.
• L'eNodeB est la station de base 4G, intégrant des fonctions avancées de gestion radio.
• L'EPC est le cœur de réseau LTE, composé d'entités clés comme le MME, SGW, PGW.
• La séparation du plan de contrôle et du plan utilisateur est un principe fondamental du LTE.
• Les protocoles comme RRC, RRM, GTP-U et UDP/IP sont cruciaux pour le fonctionnement du réseau.