EUTRAN

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Architecture d'un réseau eUTRAN et connexions avec le cœur de réseau LTE (EPC).

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. Ce réseau 4G est normalisé par l’organisme 3GPP[1].

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 fibre optique, cuivre ou faisceau hertzien (réseau de backhaul) raccordant ces équipements entre eux et avec le cœur de réseau.

Description technique[modifier | modifier le code]

L'eUTRAN est la partie « accès radio » 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 user equipment (l’équipement de l'utilisateur : téléphone mobile ou smartphone) 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)[2].

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 (l’ARCEP en France, l’ANRT au Maroc, la FCC aux États-Unis, ANF en Algérie). 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)[1].

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 France).

Il y a deux types principaux d’interfaces normalisées entre les entités fonctionnelles d’un réseau eUTRAN[1] : 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 utilisées 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).

Codages radio et principes du partage de la ressource radio[modifier | modifier le code]

Représentation temporelle et fréquentielle d'un Resource Block LTE, utilisant 12 sous-porteuses et d'une durée de 0,5 ms.

Les stations de base LTE permettent l’accès simultané de plusieurs dizaines d’abonnés actifs à chaque cellule du réseau mobile. Pour partager la ressource radio entre les utilisateurs, la station de base utilise à la fois les multiplexages en fréquence (AMRF) et temporel (AMRT), en émission et en réception.

L’unité de base attribuée à un abonné est le « Resource block »[3] (voir dessin). Chaque Resource block (bloc de ressources radio) est constitué de 12 sous-porteuses de 15 kHz de largeur et de 7 symboles temporels[4] ayant une durée totale de 0,5 ms. Un nombre variable de Resource blocks peut être attribué chaque seconde à un même terminal mobile (user equipment) en fonction du débit qu’il requiert et des ressources radio disponibles.

Les douze sous porteuses regroupées dans un « resource block » ont des fréquences consécutives ; elles sont orthogonales entre elles, ce qui évite les « bandes de garde » entre sous-porteuses.

Sur la liaison descendante (vers le terminal mobile), les « Resource blocks » attribués dynamiquement à un équipement mobile peuvent avoir des fréquences différentes non adjacentes, réparties dans une bande de 20 MHz (maximum)[5], ce qui a pour avantage de diminuer le risque d’avoir une majorité des sous-porteuses subissant des interférences car elles sont réparties dans un spectre radio plus large. Par contre pour les liaisons montantes (sens terminal vers eNode B), les « Resource blocks » utilisés par un terminal LTE en émission doivent avoir des fréquences adjacentes (consécutives). Cette contrainte vient du codage SC-FDMA utilisé sur les liaisons radio montantes dont la caractéristique « SC » (Single Carrier) impose d'utiliser pour un terminal donné un groupe de sous-porteuses adjacentes.

L’allocation de la ressource radio (attribution de Resource blocks à un terminal mobile) est redéfinie chaque ms, (à chaque TTI : « Transmission Time Interval »), ce qui correspond à la durée de deux « resource blocks »[6]. Il y a dans le cas optimal d’une bande de fréquence LTE de 20 MHz, 1200 sous-porteuses de 15 kHz (soit 100 Resource blocks) disponibles et 2 000 « intervalles de temps » (time slots) de 0,5 ms par seconde, donc environ 200 000 Resource block disponibles chaque seconde pour chaque antenne[7], à partager entre les terminaux mobiles actifs présents dans la cellule radio LTE[8]. Cette allocation en temps réel des Resource blocks, permet à la fois de s’adapter aux débits variables des applications comme l’accès à internet et de ne pas gaspiller la bande passante radio en réattribuant quasi instantanément à un autre abonné les ressources non utilisées.

Les « resource blocks » sont utilisés dans les deux variantes des normes LTE et LTE Advanced : le mode FDD (full duplex) et le mode TDD (half duplex), dans ce deuxième cas, chaque groupe de douze sous-porteuses est réaffecté toute les 1 à 8 ms (deux à seize resource blocks)[5] alternativement à la transmission en émission puis en réception.

Tableau des fréquences LTE[modifier | modifier le code]

Tableau des fréquences LTE utilisées dans le monde en 2015[9] :

eUTRAN
N° bande
fréquence
(MHz)
Nom uplink
(MHz)
downlink
(MHz)
écart duplex
(MHz)
mode duplex
1 2100 IMT 1920...1980 2110...2170 190 FDD
2 1900 PCS Page d'aide sur l'homonymie (Personal Communications Service) 1850...1910 1930...1990 80
3 [10] 1800 DCS 1710...1785 1805...1880 95
4 1700 AWS (AWS-1) 1710...1755 2110...2155 400
5 850 CLR 824...849 869...894 45
6 [11] 850 UMTS 800 – pas utilisée en LTE 830...840 875...885 45 FDD
7[10] 2600 IMT-E 2500...2570 2620...2690 120
8 900 E-GSM 880...915 925...960 45
9 1800 UMTS 1700 / Japon DCS 1750...1785 1845...1880 95
10 1700 AWS-Band 1710...1770 2110...2170 400
11 1500 PDC 1428...1448 1476...1496 48 FDD
12 700 SMH Blocs A/B/C 699...716 729...746 30
13 700 SMH Bloc C 777...787 746...756 31
14 700 SMH Bloc D 788...798 758...768 30
15 1900 reservées 1900...1920 2600...2620 700
16 2000 2010...2025 2585...2600 575 FDD
17 700 SMH Blocs B/C
incluse dans la bande 12
704...716 734...746 30
18 850 Japon, bande 800 815...830 860...875 45
19 850 Japon, bande 800 830...845 875...890 45
20[10] 800 Dividende numérique 832...862 791...821 41
21 1500 PDC-Band 1448...1463 1496...1511 48 FDD
22 3500 - 3410...3490 3510...3590 100
23 2000 S-Band (AWS-4) 2000...2020 2180...2200 180
24 1600 L-Band (US) 1626,5...1660,5 1525...1559 101,5
25 1900 PCS-band 1850...1915 1930...1995 80
26 850 CLR-Band 814...849 859...894 45 FDD
27 850 SMR 807...824 852...869 45
28[10] 700 APT / Dividende numérique 2 703...748 758...803 55
29[12] 700 SMH bloc D/E
(utilisée seulement en Carrier Aggregation)
- 717...728 -
30 2300 WCS bloc A/B 2305...2315 2350...2360 45
31 450 - 452,5...457,5 462,5...467,5 10 FDD
32[12] 1500 L-Band (agrégée avec la bande 20) - 1452...1496 -
33 2100 Pre-IMT 1900...1920 TDD
34 2100 IMT 2010...2025
35 1900 PCS (uplink) 1850...1910
36 1900 PCS (downlink) 1930...1990
37 1900 PCS (duplex A) 1910...1930 TDD
38 2600 IMT-E (duplex-A)
2570...2620
39 1900 DCS-IMT 1880...1920
40 2300 - 2300...2400
41 2500 BRS / EBS 2496...2690 TDD
42 3500 anciennement WiMAX 3400...3600
43 3700 - 3600...3800
44 700 APT TDD 703...803
Bande Fréquence
(MHz)
Nom de la bande Uplink
(MHz)
Downlink
(MHz)
Duplex mode

Autres types de réseaux d'accès radio[modifier | modifier le code]

Dans les réseaux 2G (GSM) et Edge, la fonction RAN (Radio Access Network) s’appelle GERAN (GSM Edge Radio Access Network) ; dans les réseaux 3G (UMTS), elle s'appelle UTRAN. Ces trois générations de réseaux peuvent coexister chez un même opérateur de réseau mobile.

Les stations de base 2G, 3G et 4G peuvent être colocalisées, voire être intégrées dans les mêmes équipements mais elles utilisent des bandes de fréquences radio différentes et des antennes qui doivent être adaptées (MIMO en 4G/LTE). Le fait pour un opérateur d'avoir plusieurs technologies radio reliées à un « cœur du réseau » en partie commun, permet à un abonné de cet opérateur (s'il a un terminal mobile multistandards) de passer de façon quasi transparente d'un type de RAN vers un autre.

Améliorations par rapport aux réseaux d'accès radio 2G et 3G[modifier | modifier le code]

Un eUTRAN a une architecture simplifiée (comparé à un UTRAN 3G) par l’intégration dans les stations de base « eNode B » des fonctions de contrôle qui étaient auparavant implémentées dans les RNC (Radio Network Controller) et les BSC des réseaux RAN UMTS et GSM. Il permet des performances supérieures (débits et diminution de la latence) grâce aux liens généralement optiques vers le cœur de réseau et vers les antennes distantes (liens CPRI) et à la simplification du réseau. Le codage radio OFDMA et l'utilisation d'antennes multi-modes MIMO contribuent aussi aux débits plus élevés et à une meilleure adaptation à des conditions radio défavorables (échos, chemins multiples) notamment grâce à la décomposition du signal en des centaines de sous-porteuses indépendantes (technique proche du codage DMT utilisé sur les liens xDSL). Il offre enfin une plus grande souplesse dans le choix des largeurs de bandes fréquence (de 1,4 à 20 MHz) et la possibilité d’attribution dynamique de bande passante à chaque abonné (via le nombre de sous-porteuses et une réattribution temporelle rapide : chaque ms) ce qui en fait un support optimisé pour des usages qui nécessitent des débits variant rapidement tels l’accès à internet, les jeux interactifs ou la cartographie (GPS).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c (en) EUTRAN Overall Description, 3GPP TS 36.300 rev.10[PDF] 3GPP, etsi.org, février 2013.
  2. (en) LTE overview - EUTRAN 3GPP.org, consulté en juillet 2013.
  3. (en)LTE OFDM Technology, Resource Block tutorialspoint.com, consulté en mai 2014.
  4. il y a 7 symboles de 67 μs dans le codage OFDMA le plus répandu qui utilise un "préfixe cyclique normal" de 4,7 μs
  5. a et b (en) [PDF] TS 36.211 rel.11, LTE, Evolved Universal Terrestrial Radio Access, Physical channels and modulation - chapter 5.2.3 et 6.2.3 : Resource blocks etsi.org, consulté en mai 2014
  6. (en) LTE Frame Structure and Resource Block Architecture Teletopix.org, consulté en mai 2014.
  7. Plus précisément ce chiffre de 2,4 millions s’applique à chaque « Code-Word » qui correspond à un des flux émis par une antenne simple ; en mode MIMO 2x2 « multiplexage spatial », dans de bonnes condition radio, on double ce chiffre.
  8. Il faut déduire de ce chiffre, quelques pourcents à cause des Resource blocks affectés à la signalisation.
  9. [PDF] (en) Norme 3GPP 36.101 rev 12.9.0, User Equipment (UE) radio transmission and reception, chapitres 5.5 et table 5.5-1 page 28 (bandes) Etsi/3GPP, octobre 2015.
  10. a, b, c et d Les bandes 3, 7, 20 et 28 ont été choisies pour l’Europe par la CEPT.
  11. Cette bande est en 2016 réservée à l’UMTS
  12. a et b Cette bande ne peux servir que de bande secondaire en mode agrégation de porteuses

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]