Handover LTE

LTE: Long Term Evolution

• Introduction • Architecture - Couche Physique - Couche Mac

Plan

LTE: Introduction

Le LTE (Long Term Evolution ) est un projet mené par 3GPP pour définir les Normes du future réseau de la 4G.

Il permettra le transfert des données à des hauts débits, avec des portées plus superieures.

Technologie semble s’être imposée face au Wimax mobile qui accumule les retards

LTE considéré comme évolution des normes d’UMTS/3GPP 3G

Il emploie une forme différente d’interface radio, utilisant OFDMA/SC-FDMA au lieu de CDMA

LTE: Motivations

1. Besoin de système optimisant la commutation des paquets

– Evolution de l’UMTS vers le tout paquet

2. Besoin des débits plus élevés

– Débit théorique élevé du LTE:

Downlink ~100 Mbits/s --Uplink ~ 50 Mbits/s

3. Besoin d’une très bonne qualité de service

– Réduit le temps d’aller-retour

– Réduire le temps d’établissement de connexion (< 100 ms)

– Réduit le temps de transit (< 10 ms)

4. Besoin d’infrastructures moins coûteuses

– Nouvelle architecture simplifiée avec moins d’équipements sur le réseaux

WCDMA(UMTS)

HSPA(HSDPA / HSUPA) HSPA+ LTE

Vitesse maximum bps de liaison descendante

384 k 14M 28M 100M

Vitesse maximum bps de liaison montante 128 k 5.7M 11M 50M

Latencetemps de voyage aller-retour approximativement

150 ms 100ms 50ms (ms) ~10 ms

Années approximatives de déroulement initial

2003 / 2004 2005 /2006 HSDPA2007 / 2008 HSUPA

2008 /2009 2009 /2010

Méthodologie d'accès CDMA CDMA CDMA OFDMA / SC-FDMA

LTE: Comparaison

LTE: Caractéristiques

Paramètres Détails

Vitesse maximale de liaison descendante 64QAM Mbps

100 (SISO), 172 (2x2 MIMO), 326 (4x4 MIMO)

La liaison montante maximale expédie (Mbps)

50 (QPSK), 57 (16QAM), 86 (64QAM)

Type de donneés Toutes les données de commutation de paquets (voix et données). Pas avec commutation à circuit.

Channel bandes passantes(MHz)

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

Duplex régimes FDD et TDD

Mobilité 0 - 15 km/h (optimised),15 - 120 km/h (haute performance)

Latence Inactif à l'état actif de moins de 100msPetits paquets ~ 10 ms

Efficacité spectrale liaison descendante : 3 - 4 times Rel 6 HSDPALiaison montante : 2 -3 x Rel 6 HSUPA

Arrangements d'accès OFDMA (Downlink)SC-FDMA (Uplink)

Types de modulation supportée QPSK, 16QAM, 64QAM (Uplink and downlink)

Long Term Evolution (LTE)

• Caractéristiques :– Méthode d’accès en Dowlink : OFDMA– Méthode d’accès en Uplink : SC-FDMA– Type Handover : Hard Handover– Fonction d’auto-réglage et d’auto-optimisation– LTE supportera des bandes passante allant

de 1,25 MHz jusqu'à 20 MHz.– Architecture décentralisée : antennes

intelligentes.


Plan

Architecture d’un système LTE

• Suppression de la partie radio (RNC) • Evolved-UTRAN (e-UTRAN) : évolué avec

les options d’auto-réglage et d’auto-optimisation

• Enhaced-NodeB (eNB): contient les fonctionnalités du RRM (Radio Access Management) , celles du RNC et gère les Handover

Le Système s’appellerait EPS :Evolved Packet SystemComposé de deux partie :1 / LTE : partie radio du réseau

– Contient les eNB reliés entre elles et reliés au réseau cœur les fonctions supportées par RNC sont reporté au eNB


2/SAE (System Architecture Evolution): le cœur du réseau composé de différentes partie

• Mobility Management Entity (MME)• Serving Gateway (SGW)• Packet Data Network Gateway (PDN GW)• Home Subscriber Server (HSS)• Policy and Charging Rules Function (PCRF)


• L'élément principal du réseau de LTE SAE se nomme le noyau de paquet

évolué (evolved Packet core) ou EPC.

• Quand l’utilisateur se déplace dans les régions desservies par différentes

eNodeBs, la SGW sert de point d'ancrage de mobilité veillant à ce que le

chemin de données soit maintenu

Architecture du système évolué

E-ULTRAN-EPC

Relation fonctionnelle entre E-UTRAN et EPC

• Les eNBs manipulent plusieurs autres fonctions y compris le control

d’admission et les décisions de transfert pour l’UE.

Protocole du plan d’utilisateur


Plan

Pourquoi OFDM?

• Adapter au débit très élevés• Adapter au communications mobiles• Resistance au perturbations : parasites,

brouilleurs, etc.…• Résistance aux trajets multiples• Taux d’erreurs binaires faible• Pas d’interférence entre symboles: grâce

à l’intervalle de garde

• Possibilité de l’associer au CDMA, TDMA, FDMA et aux systèmes multi-antennes

• une allocation adaptative des sous-porteuses : selon le rapport SNR(signal sur bruit )

• Au vu de ses avantages, l’utilisation d’OFDM et les technologies d’accès associées, OFDMA et SC-FDMA sont des choix naturels pour la nouvelle norme (standard) cellulaire LTE

Pourquoi OFDM?

LTE OFDMA: sens descendant (downlink)

• Le signal d’OFDM utilisé dans LTE comporte un maximum de 2048 sous-

porteuses différentes espacées de 15 kHz • La station de base a seulement les besoins de pouvoir soutenir la transmission de

72 ondes sous-porteuses

• Dans la liaison descendante, les ondes sous-porteuses sont coupées en blocs de

ressource, ceci permet au système de pouvoir compartimenter les données à

travers des nombres standards des ondes sous-porteuses

LTE SC-FDMA (up link)

• Un nouveau concept différent est employé pour la technique d’accès • Elle est basée sur la forme de la technologie OFDMA • Elle s’appelle l’accès multiple de Division de fréquence• La détection s’effectue sur l’ensemble du signal ce qui permet de

moyenner le SNR sur la totalité de la bande de fréquences (OFDMA/ sous porteuse)

Diagramme de bloc de SC-FDMA

LTE- MIMO (Multiple Input Multiple Output)

• MIMO est une autre des innovations principales de la technologie de LTE• Une technologie qui procure à LTE d’améliorer plus loin le flux de données et

l’efficacité spectrale obtenus en employant OFDM• Il permet à des débits élevés d’être réalisés avec une efficacité spectrale

améliorée

Principe de fonctionnement

LTE-FDD,TD,TDD,TD-LTE : Plans Duplex

• L’équipement d’utilisateur sera adapté pour des modes de FDD et de TDD• Peut transmettre dans les deux directions simultanément (montante et

descendante)• Liaison montante (Uplink): transmission de l’utilisateur à l’e NodeB• Liaison descendante (Dowlink): transmission de l’e NodeB à l’utilisateur

• Afin de pouvoir être en mesure de transmettre dans les deux sens, un équipement d'utilisateur ou d'une station de base doit disposer d'un régime duplex.

• Il existe deux formes de duplex qui sont couramment utilisés :– FDD Division de Fréquence Duplex

– TDD Division de Temps Duplex

• LTE FDD (Frequency Division Duplex) : division duplex de fréquence

• LTE TDD (Time Division Duplex) : répartition temporelle, elle utilise une fréquence mais assigne différentes tranches de temps pour la transmission et la réception

• LTE s’adapte aux deux spectres FDD et TDD

LTE-FDD,TD,TDD,TD-LTE : Plans Duplex (2)

Structure de frame et sub frame de LTE

• Les structures de frame LTE diffèrent entre la répartition duplex

temporelle et la division duplex de fréquence

• Il existe deux types de structures LTE :

– Type 1 utilisé pour les systèmes de mode de LTE FDD

– Type 2 utilisé pour les systèmes de LTE TDD

Structure de frame LTE type 2

Structure de frame et sub frame de LTE (2)

Canaux Physiques, Logiques et de Transport de LTE

• Ils sont utilisés pour séparer les différents types de données et leur permettre d'être transportés à travers le réseau d'accès radio d’une manière ordonnée

• Efficacement les différents canaux fournissent des interfaces aux plus hautes couches dans la structure de protocole LTE et permettent une ségrégation ordonnée et définie des données.

• Il existe trois catégories dans lesquelles les canaux de données différentes peuvent être groupés.

• Canaux physiques : sont des canaux de transmission qui portent des données d'utilisateur et contrôlent des messages.

• Canaux de transport : les canaux de transport de couche physiques offrent le transfert d'information au Contrôle d'Accès Moyen (MAC) et aux plus hautes couches.

• Canaux logiques : ils fournissent des services pour la couche MAC dans la structure de protocole LTE.

Mapping entre les canaux Uplink logique et les canaux de transport

Mapping entre les canaux Dowlink logique et les canaux de transport

Canaux Physiques, Logiques et de Transport de LTE (2)


Plan

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Handover : est une fonction importante qui maintient une

connectivité sans faille lors du passage d'une station de base

à une autre.

Garantie la continuité de l’appel (~100ms d’interruption )

Il existe deux type de Handover :

Intra-RAT: on reste dans le même réseau LTE –LTE

Inter-RAT : d’un réseau à l’autre LTE-UMTS

RAT : Radio Access Technologie

Handover

Les 3 phases du Handover

1. Prise des mesures et supervision du lien

2. Choix de la cellule cible et déclenchement du handover

3. Exécution du handover (i.e. transfert effectif des liens)

• Hard Handover :

ancien lien libéré avant l’établissement du nouveau lien

avec la BS cible

• Seamless Handover :

ancien lien libéré pendant l’établissement du nouveau

lien avec la BS cible

Type d’exécution du Handover(1/2)

Type d’exécution du Handover(2/2)

• Soft Handover : ancien lien libéré après l’établissement du

nouveau lien avec la BS cible• Softer handover :

C’est dans le cas de sectorisation avec des antenne omnidirectionnelles, le même signal est envoyé par deux secteur au mobile.

Principe du déroulement du Hard Handover

1. Suspension des opérations normales sauf pour la couche gestion des ressources radio

2. Déconnexion du lien de signalisation

3. Déconnexion et désactivation des canaux alloués précédemment et leur libération

4. Activation de nouveaux canaux et leur connexion si nécessaire

5. Déclenchement de l'établissement d'une connexion de liaison de données sur les nouveaux canaux

Principe du déroulement du Hard Handover

Gestion de la mobilité

Protocole MM

Protocole CM

Protocole GMM

Protocole SM

Protocole EMM

Protocole ESM MME

(3G) SGSN

EMM (EPS Mobility Management)• Attachement au réseau EPS (Attach).

• Détachement du réseau EPS (Detach).

• Allocation de GUTI (GUTI Reallocation).

• Authentification et chiffrement (Authentication And Ciphering).

• Mise à jour de tracking Area (Tracking Area Update).

• Demande d'identité (e.g., IMSI, IMEI) (Identity).

Gestion de la mobilité

Protocole MM

Protocole CM

Protocole GMM

Protocole SM

Protocole EMM

Protocole ESM MME

(3G) SGSN

ESM (EPS Session Management)Permet l’établissement, la modification et la libération de default bearer et de dedicated

bearer.

Un bearer correspondent grossièrement à des circuits virtuels permettant à l’UE de

transmettre et de recevoir des paquets IP.

Attachement initial de l’UE au réseau

NewMME

Serving

GW

PDNGW PCRF

Cette procédure conduira à la création d’un default bearer permanent correspondant à une connectivité IP permanente à un réseau IPv4 ou IPv6.

1. EMM Attach Request2.a. Send Authentication Info (IMSI)

2.b. Send Authentication Info Ack (Vector)

3.a. EMM Authentication and ciphering req

3.b. EMM Authentication and ciphering response (RES)

5.a Check IMEI (IMEI)

5.b Check IMEI Ack (IMEI, Status)

1. L’UE initie la procédure d’attachement en émettant une requête Attach à l’eNodeB.

2. Le MME obtient auprès du HSS disposant du profil de l’UE, des quintupletsd’authentification à l’aide de la requête Send Authentication Info.3. Le MME soumet une valeur aléatoire à l’UE et escompte une réponse de l’UE contenant un résultat d’authentification égal à celui fourni par le HSS. L’UE retourne la réponse au MME.

4.a. EMM Identity req

4.b. EMM Identity response (IMEI)

4. Le MME demande à l’UE de lui fournir son IMEI.5. L ’EIR, interrogé par le MME indique dans le message de retour si le terminal fait ou ne fait pas partie de la liste des équipements interdits (black list).

NewMME

Serving

GW

PDNGW PCRF

6. Update Location

7.a. Insert Subscriber Data

8. Update Location Ack

9. Create Session Request10. Create Session Request

11. PCRF Interaction

12. Create Session Response

13. Create Session Response


7.b. Insert Subscriber Data Ack

6. Le MME délivre un message Update Location (adresse MME sous forme de hostname, IMSI) au HSS.7. Le HSS émet un message Insert Subscriber Data (IMSI, données de souscription EPS) au nouveau MME. Le nouveau MME retourne une réponse Insert Subscriber Data Ack (IMSI) au HSS.

8. Le HSS acquitte la mise à jour de localisation par une réponse Update Location Ack au MME. Si le HSS rejette la procédure de mise à jour de localisation, alors le MME rejette la demande d’attachement de l’UE.

9. Le MME sélectionne un Serving GW et assigne une valeur au paramètre EPS Bearer Identity (BI) pour le bearer par défaut associé à cet UE. Puis, il émet une requête Create Session Request au serving GW sélectionné.

10. Le serving GW crée une nouvelle entrée dans sa table d’EPS bearer et émet à son tour une requête Create Session Request au PDN Gateway en utilisant le protocole GTP-C. Ce bearer permet à l’UE d’accéder à Internet par exemple.

11. Le PDN GW interagit avec l’entité PCRF afin d’obtenir les règles de taxation permettant de différencier les flux de service qui transiteront par le default bearer et ainsi différencier la taxation de ces flux.

12. Le PDN GW retourne une réponse Create Session Response au Serving GW contenant l’adresse IP allouée par le PDN GW à l’UE.13. Le Serving GW retourne une réponse Create Session Response au MME.

NewMME

Serving

GW

PDNGW PCRF


14. S1-AP Initial Context Setup Request (Attach Accept (new GUTI))

15. RRC Connection Reconfiguration Request (Attach Accept (GUTI)))

16. RRC Connection Reconfiguration Complete(Attach complete)

17. S1-AP Initial Context Setup Response (Attach Complete)

First uplink data

18. Modify Bearer Request

19. Modify Bearer Response

First downlink data

14. Le MME émet un message de contrôle sur l’interface S1-C à l’eNodeB, afin de lui demander de créer un bearer d’accès entre l’UE et le Serving GW.15. L’eNodeB émet un message RRC Connection Reconfiguration request incluant l’identité du bearer d’accès et le message Attach Accept contenant le GUTI assigné à l’UE par le MME.

16. l’UE retourne une réponse RRC Connection Reconfiguration Complete à l’eNodeB incluant le message EMM Attach Complete.17. L’eNodeB retourne le message Initial Context Response au MME incluant l’identité du bearer EPS, l’adresse de l’eNodeB à utiliser pour le trafic descendant du Serving GW à l’eNodeB sur l’interface S1-U.

18. A la réception du message Initial Context Response et de l’Attach Complete, l’entité MME émet une requête Modify Bearer Request (Identité du bearer EPS (BI), adresse eNodeB) au Serving GW.

19. Le Serving GW l’acquitte en retournant une réponse Modify Bearer Response (Identité du bearer EPS) au MME. Le Serving GW est dès à présent prêt à relayer les paquets IP, dans le sens descendant à l’UE à travers l’eNodeB.

Détachement de l’UE du réseau

NewMME

Serving

GW

PDNGW PCRF

1. Detach Request2. Delete Session Request

La procédure de détachement de l’UE du réseau est décrite à figure suivante. Une fois la procédure exécutée, l’UE n’a plus accès au réseau .

3. Delete Session Request

4. Delete Session Response

5. Interactions PCRF6. Delete Session Response

7. Detach Accept

Libération de

ressource radio

8. S1 Release Command

9. S1 Release Complete

1. L’UE émet le message EMM Detach Request au MME.2. Les bearers EPS pour cet UE sont désactivés par le MME à travers l’envoi du message Delete Session Request (TEID) au Serving GW. TEID signifie Tunnel Endpoint Identifier et identifie le tunnel à libérer entre le Serving GW et le P-GW.

3. Le Serving GW émet la requête Delete Session Request (TEID) au PDN GW.4. Le PDN GW l’acquitte à l’aide de la réponse Delete Session Response (TEID).5. Le PDN GW peut interagir avec le PCRF afin d’indiquer au PCRF que les bearer EPS pour cet UE ont été libérés.6. Le Serving GW acquitte la requête 2 au MME à l’aide de la réponse Delete Session Response (TEID).7. Le MME émet un message EMM Detach Accept à l’UE.8. Le MME demande à l’eNodeB de libérer le bearer d’accès à l’aide de la commande S1 Release Command avec la Cause égale à “ Detach”.9. L’eNode B acquitte ce message en retournant la réponse S1 Release Complete une fois les ressources radio libérées.

Mise à jour de Tracking Area

• Mise à jour du chemin média :

Le default bearer doit être mis à jour ainsi que tout bearer supplémentaire (defaut et dedicated) établi une fois l’UE attaché au réseau.

Le PDN GW doit être informé du nouveau Serving GW en charge de la nouvelle Tracking Area (TA), et un nouveau bearer doit être créé entre l’UE et le nouveau Serving GW si l’UE est dans l’état actif.

• Transfert du contexte usager de l’ancien MME au nouveau MME.

• Mise à jour du profil de l’usager dans le HSS notamment avec l’adresse du nouveau MME.

Dans ce cas l’UE change de MME et de Serving GW. Les opérations suivantes doivent être réalisées lors de la procédure TAU:

Gestion de sessionDefault bearer

Sert poour d’accéder aux services du réseau, l’UE doit disposer d’un default

bearer :

Permanent par nature est établi par le réseau dès l’attachement.

Ce bearer est maintenu pour toute la durée d’attachement de l’UE afin de

lui fournir une connectivité IP permanente à un réseau IPv4 ou IPv6.

A tout moment l’UE peut établir un ou plusieurs default bearers additionnels.

Seul l’UE peut initier la demande d’établissement d’un default bearer

additionnel

Ne fournissent pas de débit garanti.

Gestion de sessionDedicated bearer

Afin que l’usager puisse accéder à des services temps réel IP :

il est nécessaire qu’un dedicated bearer soit établi ;

un dedicated bearer a une durée limitée et fournit un débit garanti,

toujours associé à un default bearer.

Le default bearer et tous les dedicated bearer associés partagent la

même adresse IP.

Le réseau ou l’UE peuvent initier l’établissement d’un dedicated

bearer.

QoS dans LTELTE supporte une QoS de bout en bout : ce qui signifie que

les caractéristiques du bearer sont définis et contrôlés pendant toute la durée d'une session entre l'unité mobile (UE) et le P-GW.

QoS est caractérisée par un indice • QCI (QoS Class Identifier).• Le paramètre ARP (Allocation and Retention Priority).

Il y a deux classes principales des bearer, avec des taux garantis et non garantis et les étiquettes qui spécifie plus en détail quelles sont les valeurs du délai et le taux de perte des paquets qui peuvent être tolérés pour chaque bearer donné.

E-UTRAN Architecture: U-plane

The ARQ functionality provides error correction by retransmissions in acknowledged mode atLayer 2.

The HARQ functionality ensures delivery between peer entities at Layer 1.

Layer 2 Structure (eNB and aGW)

Handover LTE

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