Comprendre le concept de nœud de relais dans LTE

Il y a quelques années, le concept de nœud relais a été introduit dans la version 10 du 3GPP pour résoudre des problèmes de performance tels que le débit de données réduit, le signal plus faible et les interférences plus élevées rencontrées sur les bords de couverture radio des macrocellules des stations de base en élargissant la zone couverte et en augmentant les capacités de la couverture radio intérieure et extérieure à moindre coût.

Le concept de nœud de relais en soi n’est pas nouveau. Au début, il était conçu comme de simples répéteurs radio qui recevaient, amplifiaient les signaux de la station de base et les diffusaient avec tout leur bruit et toutes leurs imperfections. Mais le LTE Relay Node (RN) est plus qu’un simple répéteur car il extrait les données du signal reçu, applique les techniques de correction du bruit et retransmet le nouveau signal « propre » dans sa propre zone de couverture. Donc, fondamentalement, au lieu de ne répéter que le signal, le nœud de relais augmente également la qualité du signal.

Le nœud de relais et la femtocell (ou la station de base domestique telle que définie dans la version 9 du 3GPP) sont des stations de base à faible puissance (faible couverture). La femtocell est principalement utilisée pour la couverture intérieure (résidentielle ou commerciale), généralement pour les cas d’utilisation où l’on souhaite que la couverture soit limitée à la zone censée être couverte, afin d’éviter les interférences avec les communications sans fil se produisant dans les zones environnantes. La particularité de la femtocell est qu’elle est déployée sans aucune coordination avec la station de base macrocellulaire la plus proche. Cela dit, une connexion filaire à Internet est obligatoire (fibre optique, DSL,…) pour se connecter au cœur du réseau du fournisseur d’accès. À l’autre extrémité, le RN est connecté à un macro eNodeB (station de base en LTE) appelé Donor eNodeB (DeNB) à l’aide d’une interface radio, qui est une version modifiée de l’interface Uu (interface habituelle entre un eNodeB et l’UE/téléphone portable) .

Concept de nœud de relais

Le DeNB partage non seulement ses ressources radio avec le RN, mais il continue également à desservir ses propres UE. Pour un DeNB, le nœud de relais apparaît comme un UE, tout comme en retour un RN voit le DeNB comme un eNB, une MME et une S-GW. En créant sa propre zone de couverture, le RN apparaît comme un eNB pour les UE. Par conséquent, le RN supporte les fonctionnalités de l’eNB : il termine les protocoles de l’interface radio E-UTRA, les interfaces S1 (entre eNB et MME) et X2 (entre 2 eNB) et une partie des fonctionnalités de l’UE comme la couche physique, les deuxième couche et RRC qui permettent de se connecter sans fil à un DeNB.

Selon la façon dont la liaison sans fil au réseau central est allouée, les RN peuvent être classés comme :

– In-band ou type 1, si le lien backhaul, qui est le lien entre le DeNB et le RN, est alloué sur la même fréquence porteuse que le lien d’accès (entre le LTE RN et l’UE). Les liaisons étant multiplexées dans le temps en LTE-A, la réutilisation de la fréquence porteuse est possible. Des contraintes supplémentaires au niveau de la liaison backhaul doivent être prises en compte afin d’éviter les interférences au niveau des antennes RN.

– Cas de relayage hors bande ou type 1a, lorsque le lien backhaul fonctionne sur une fréquence porteuse différente de celle du lien d’accès. L’un des avantages du RN hors bande par rapport au RN intrabande est la capacité relativement accrue de la liaison, grâce à la fonction full-duplex. En fait, l’isolation entre les liens backhaul et d’accès est littéralement réalisée dans le domaine fréquentiel, empêchant ainsi d’autres interférences intercellulaires.

Bien qu’offrant de meilleures performances, du point de vue de l’exploitant, l’attribution de porteuses séparées au niveau de la liaison d’accès RN pourrait ne pas être possible en raison du manque de spectre disponible ou de licences de spectre coûteuses et de l’inefficacité de dédier cette bande de fréquences uniquement aux UE de relais. Heureusement, l’agrégation de porteuses (CA), une autre grande fonctionnalité de LTE-A, offre une solution intéressante pour le déploiement de relais de type 1a. Dans l’agrégation de porteuses, une seule porteuse est utilisée comme porteuse primaire (PCC) qui est toujours active et responsable de l’exécution de toutes les procédures de contrôle. Tandis que les autres porteuses, connues sous le nom de Secondary Component Carriers (SCC), sont activées à la demande pour augmenter les performances de l’UE. Des informations supplémentaires sur l’agrégation de porteuses sont disponibles ici. L’agrégation de porteuses permet aux équipements utilisateurs micro-attachés (Macro-UEs) d’avoir leur capacité maximale réalisable améliorée en activant un SCC, tandis que les UE de relais et les RN utilisent des porteuses distinctes comme porteuse primaire.

En résumé, les nœuds de relais LTE-A sont conçus pour être des nœuds à faible coût et à faible puissance qui peuvent être déployés facilement et rapidement en cas de besoin. Ils peuvent être déployés dans plusieurs scénarios : dans les points d’accès urbains pour augmenter la capacité afin de faire face à la forte densité d’utilisateurs, dans la mobilité de groupe pour desservir les utilisateurs dans les transports en commun, dans les points d’accès intérieurs pour atteindre un haut débit de données, etc.