3GPP Long Term Evolution

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Etude de la couche physique et des
           performances
Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances
Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances
Introduction
Qu’est-ce que le LTE ?
    –Le LTE est la prochaine évolution de l’UMTS
    après l’HSDPA/HSUPA, aussi appelé...
Introduction
Quels sont les objectifs du LTE?
    • Atteindre des débits pic de 100 Mbps (DL) et 50 Mbps (UL)
            ...
Introduction
Quels sont les principaux changements du LTE ?

   – De nouvelles technologies pour les transmissions radio
 ...
Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances
Etude de la couche physique

• Pourquoi l’OFDMA en DL?
       » Fiabilité déjà établi au travers de technologies comme le ...
Etude de la couche physique
                      Structure des trames
  Les transmissions sont organisées en trames radio...
Etude de la couche physique
                                   Structure des trames

• La structure de trame générique
   ...
Etude de la couche physique
                            Structure des trames

• La structure de trame alternative
   –   2...
Etude de la couche physique
                                            Downlink OFDMA

• Généralités sur l’OFDM
      – L...
Etude de la couche physique
                                Downlink OFDMA

• Généralités sur l’OFDM
   –     L’OFDM utili...
Etude de la couche physique
                               Downlink OFDMA

• Avantages de l’OFDM pour les réseaux mobiles
...
Etude de la couche physique
                                 Downlink OFDMA

• Inconvénients majeurs de l’OFDM
   –   Peak...
Etude de la couche physique
                                                               Downlink OFDMA

• Génération d’...
Etude de la couche physique
                                                 Downlink OFDMA

• Orthogonalité de l’OFDM
   ...
Etude de la couche physique
                        Downlink OFDMA

• Gestion des interférences inter-symboles et du fast-...
Etude de la couche physique
                                                 Downlink OFDMA

• Préfixe cyclique
   – Un in...
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                          Downlink OFDMA

• Durée d’un symbole OFDM
  – Etant donné l’utilisat...
Etude de la couche physique
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• Espacement inter-porteuses
   – Afin de simplifie...
Etude de la couche physique
                               Downlink OFDMA

• Multiplexage fréquentiel et temporel
   – Plu...
Etude de la couche physique
                                                                                             D...
Etude de la couche physique
                                                     Downlink OFDMA

• Structure des slots
   ...
Etude de la couche physique
                                                                      Downlink OFDMA

 • Signa...
Etude de la couche physique
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• Paramétrage
  – Pour la structure de trame ...
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• Paramétrage
  – La durée d’une sub-frame (deux sl...
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• Paramétrage
  – Pour la structure de trame...
Etude de la couche physique
                                 Uplink SC-FDMA

• Généralités sur le SC-FDMA
   – Le SC-FDMA ...
Etude de la couche physique
                                        Uplink SC-FDMA

• Généralités sur le SC-FDMA
    – Le ...
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• Avantages du SC-FDMA
  – La détection en OFDMA s’ef...
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                                               Uplink SC-FDMA

• Avantages du SC-FDMA
  – L’en...
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 • Génération et réception d’un signal SC-FDMA...
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• Structure des slots
   –   Le...
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• Structure des slots
   – Structure d’un sl...
Etude de la couche physique
                                         Uplink SC-FDMA

• Signal de référence
     – Les sign...
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                                    Uplink SC-FDMA

• Signal de référence
   – L’orthogonalité...
Etude de la couche physique
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• Paramétrage
  – Pour la structure de trame g...
Etude de la couche physique
                             Uplink SC-FDMA

• Paramétrage
  – Pour la structure de trame alte...
Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances
Performances
                                        Downlink

• Méthode d’évaluation des performances
   – Le tableau sui...
Performances
                               Downlink

• Débits théoriques
   – Le tableau suivant décrit les débits pics e...
Performances
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• Débits théoriques
       ...
Performances
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• Débits théoriques
   – La figu...
Performances
                                                      Downlink

• Evaluation du débit
   – Il s’agit là d’une...
Performances
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• Evaluation du débit
       – Le tableau ci-dessous présente les...
Performances
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• Evaluation du débit
        – Le tableau ci-dessous présente l...
Performances
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• Evaluation de la capacité VoIP
   –   Afin de définir l...
Performances
                                                                                                             ...
Performances
                                 Uplink

• Débits théoriques
   – Le tableau suivant décrit les débits pics e...
Performances
                                                                        Uplink

   • Débits théoriques
      ...
Performances
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• Débits ...
Performances
                                     Uplink

• Evaluation du débit
   – Le tableau ci-dessous présente les di...
Performances
                                      Uplink

• Evaluation du débit
   – Le tableau ci-dessous présente les d...
Performances
                                                        Uplink

• Evaluation de la capacité VoIP
     –   Afi...
Performances
                                                                                                    Uplink

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3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

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Description of the 3GPP UMTS Long Term Evolution: concepts (OFDM, SC-FDMA) and performances.
Study realized by Nicolas Cousin and Vincent Boucheix - students at the ECE Engineering School of Paris, France - for the French operator Bouygues Telecom.
Note: Last update in february 2007. Some physical layer concepts or performances may have changed.

Publié dans : Technologie, Business
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3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

  1. 1. 3GPP Long Term Evolution _________ Etude de la couche physique et des performances
  2. 2. Plan de l’étude Introduction I. Etude de la couche physique : concepts implémentés II. Performances
  3. 3. Plan de l’étude Introduction I. Etude de la couche physique : concepts implémentés II. Performances
  4. 4. Introduction Qu’est-ce que le LTE ? –Le LTE est la prochaine évolution de l’UMTS après l’HSDPA/HSUPA, aussi appelé 3.9G ou super3G Pourquoi le LTE ? –Afin d’assurer la compétitivité à long terme de l’UMTS UMTS HSDPA HSUPA LTE Débit DL 384 kbps Débit pic DL 14 Mbps Débit pic UL 5.7 Mbps Débit pic DL 100 Mbps Débit UL 128 kbps Débit pic UL 50 Mbps RTT ~ 100ms RTT ~ 50ms RTT ~ 150ms RTT ~ 10ms 3GPP 3GPP 3GPP 3GPP Release 99 Release 5 Release 6 Release 7/8 2003/2004 2005/2006 2007/2008 2009/2010
  5. 5. Introduction Quels sont les objectifs du LTE? • Atteindre des débits pic de 100 Mbps (DL) et 50 Mbps (UL) » 3 à 4 fois la Rel.6 en DL, 2 à 3 fois en UL • Réduire la latence » RTT de 10ms • Améliorer l’efficacité spectrale » 3 à 4 fois la Rel.6 en DL, 2 à 3 fois en UL • Posséder une bande passante modulable » 1.25 / 2.5 / 5 / 10 / 15 / 20 MHz • Supporter la mobilité entre les différents réseaux d’accès » 2G / 3G / Wlan / Wimax • Utiliser le domaine PS pour l’ensemble des services • Implémenter une nouvelle architecture simplifiée du réseau • Assurer la compatibilité avec les Releases 3GPP précédentes
  6. 6. Introduction Quels sont les principaux changements du LTE ? – De nouvelles technologies pour les transmissions radio » OFDMA en Downlink » SC-FDMA en Uplink » MIMO – Une nouvelle architecture du réseau » Une station de base enrichie en fonctionnalités (eNodeB) » L’implémentation d’un nouveau cœur de réseau (Evolved Packet Core) – Une nouvelle architecture protocolaire radio » Réduction de la complexité » Suppression des canaux dédiés
  7. 7. Plan de l’étude Introduction I. Etude de la couche physique : concepts implémentés II. Performances
  8. 8. Etude de la couche physique • Pourquoi l’OFDMA en DL? » Fiabilité déjà établi au travers de technologies comme le WiFi, le Wimax, l’ADSL/ADSL2+, ou encore le DVB » Résistance au multi-trajet » Efficacité spectrale élevée » Complexité de l’implémentation réduite » Flexibilité de l’allocation des ressources en temps et en fréquence » Compatibilité avec la technologie MIMO • Pourquoi le SC-FDMA en UL? » Technologie très proche de l’OFDMA » Un plus faible PAPR augmentant l’efficacité des PA des mobiles » Une plus grande résistance aux erreurs de codage et au décalage des fréquences
  9. 9. Etude de la couche physique Structure des trames Les transmissions sont organisées en trames radio d’une durée de 10 ms • Deux approches ont été définies pour la structure de ces trames : – Approche 1 : Plusieurs structures de trames – Coexistence FDD : trame générique – Coexistence HCR-TDD : trame générique » 3 TS HCR-TDD ~ 4 TS E-UTRA – Coexistence LCR-TDD : trame alternative – Approche 2 : Une seule structure de trames – Coexistence FDD : trame générique – Coexistence HCR-TDD : trame générique – Coexistence LCR-TDD : trame générique » Adaptation grâce à l’insertion de symboles et/ou sub-frames ‘idle’ dans la trame E-UTRA
  10. 10. Etude de la couche physique Structure des trames • La structure de trame générique – 20 slots de 0.5 ms chacun, numérotés de 0 à 19 – 1 sub-frame = 2 slots successifs » Sub-frame i = Slot 2i & Slot 2i+1 – En FDD : La trame entière est alternativement dédiée au DL et à l’UL – En TDD : Une sub-frame est allouée au DL ou à l’UL de manière indépendante » La première sub-frame d’une trame radio est toujours réservée au DL One radio frame, Tf = 307200×Ts=10 ms One slot, Tslot = 15360×Ts = 0.5 ms #0 #1 #2 #3 #18 #19 One subframe Source : 3GPP TR 36.211
  11. 11. Etude de la couche physique Structure des trames • La structure de trame alternative – 2 demi-trames identiques de 5 ms chacune • 1 demi-trame – 7 slots de 0.675 ms, numérotés de 0 à 6 – 3 champs spéciaux : DwPTS, GP, UpPTS – Le slot 0 et DwPTS sont réservés aux transmissions DL – Le slot 1 et UpPTS sont réservés aux transmissions UL – Chaque slot dispose d’un TimeSlot Interval qui peut être utilisé comme Guard Period lors des passages des slots UL à DL et réciproquement One radio frame, Tf = 307200×Ts #0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 UpPTS DwPTS Source : 3GPP TR 36.211 Guard period
  12. 12. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Généralités sur l’OFDM – Les flux d’informations sont répartis sur plusieurs sous-porteuses – Les sous-porteuses sont orthogonales entre-elles, ce qui leur permet d’être très proches les unes des autres » Espacement entre sous-porteuses de 15 KHz – Un intervalle de garde est ajouté après chaque symbole pour contrer les effets du multipath – Lors des transmissions, chaque utilisateur se voit attribuer une portion du spectre » Utilisation de plusieurs sous-porteuses simultanément pour un même signal 5 MHz Bandwidth FFT La largeur du spectre s’étend de 1,25 à 20 MHz Sub-carriers Guard Intervals … Symbols Frequency … Time Source : 3GPP TR 25.892
  13. 13. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Généralités sur l’OFDM – L’OFDM utilise les Inverse Fast Fourier Transforms (IFFT) pour l’émission d’un signal downlink et les Fast Fourier Transform pour sa réception. Codage canal Modulation des Modulation Insertion des Interleaving symboles OFDM intervalles de (IFFT) temps Décodage Démodulation Démodulation Retrait des canal des symboles OFDM intervalles de De-interleaving (FFT) temps
  14. 14. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Avantages de l’OFDM pour les réseaux mobiles – Multipath • Un Temps Symbole important rend le signal plus résistant au multipath • Les intervalles de garde limitent les interférences inter-symboles dues au multipath – Efficacité spectrale • Efficacité spectrale élevée due à l’orthogonalité quasi-totale des sous-porteuses, autorisant une fine séparation fréquentielle entre-elles – Réception • Grande simplicité de la reception : simple implémentation de FFT au niveau de l’UE • Aucun système d’annulation des interférences intracellulaires n’est nécessaire – Extension à MIMO • Chaque sous-porteuse à bande étroite se comporte comme un flat fading channel, ce qui se traduit par un gain complexe constant et facilite l’implémentation des systèmes MIMO
  15. 15. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Inconvénients majeurs de l’OFDM – Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) • Le PAPR est élevé, ce qui limite l’efficacité des Power Amplifiers des mobiles • Effet sur les symboles OFDM transmis : – Etalement spectral (interférences entre canaux adjacents) – BER élevé (intermodulation, changement dans la constellation) – Sensibilité au décalage fréquentiel • Le décalage fréquentiel rompt l’orthogonalité des sous-porteuses et cause des interférences inter-porteuses (InterCarrier Interferences ICI), ce qui dégrade fortement les performances du réseau
  16. 16. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Génération d’un signal OFDM – Génération conceptuelle • Les symboles sont transmis de manière synchrone et indépendante sur un ensemble de sous-porteuses. Les modulations PSK et QAM sont utilisées. Q AM m odulator . e jω t 0 . • ωn est la nième fréquence de sous-porteuse . Σ Q AM s (t) m odulator • 1/Tu est le Débit Symboles QAM e jω nt . . . Q AM • L’espacement inter-porteuses est constant m odulator Source : 3GPP TR 25.892 e jω Sym bol rate = 1/T u N − 1t s sym bols/sec – Génération pratique • Un signal OFDM est généré en utilisant l’IFFT processing. mTu (m+1)Tu time • a(mN+n) est le symbole modulé de la a(mN + 0) nième sous-porteuse durant la période de mTu (m+1)Tu a(mN + 1) time temps mTu<t ≤(m+1)Tu a(mN + 2) sm(0), sm(1), sm(2), …, sm(N-1) IFFT • Sm est défini comme étant le symbole . . OFDM utile, il est la superposition des N sm . sous-porteuses modulées Source : 3GPP TR 25.892 a(mN + N-1)
  17. 17. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Orthogonalité de l’OFDM – Le spectre d’une sous-porteuse, modulant une donnée pendant une fenêtre de temps Ts est la transformée de Fourier de cette fenêtre. Pour plusieurs sous- porteuses, on obtiendra donc les spectres suivants : • Condition d’orthogonalité de l’OFDM : L’espace inter-porteuse 1/Ts permet, lorsque le spectre d’une sous-porteuse est maximal, d’annuler les spectres de toutes les autres. Ainsi, les spectres des sous-porteuses peuvent se recouvrir sans engendrer d’interférences Source : Modulations multi-porteuses, Annick Le Glaunec – Le spectre du signal OFDM est la somme des spectres de chacune des sous- porteuses • Dans la bande occupée par les sous-porteuses, le spectre est presque plat, ce qui démontre une efficacité spectrale optimale Source : Modulations multi-porteuses, Annick Le Glaunec
  18. 18. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Gestion des interférences inter-symboles et du fast-fading – Préfixe cyclique – Durée d’un symbole – Espacement inter-porteuse
  19. 19. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Préfixe cyclique – Un intervalle de garde peut-être ajouté avant chaque symbole OFDM pour minimiser les interférences inter-symboles dues au multipath » Cependant, l’intervalle de garde seul ne permet pas de contrer les interférences intra-symboles – On utilisera plutôt un préfixe cyclique rendant le symbole OFDM périodique » En effet, en temps discret, pour qu’une convolution dans le temps soit équivalente à une multiplication dans le domaine fréquentiel, il faut qu’au moins l’un des signaux soit périodique sur l’espace de la convolution » La longueur du préfixe cyclique doit être supérieur au retard de diffusion total afin d’absorber la totalité de l’énergie dispersée par le multipath OFDM symbol sm Prefix length Le préfixe cyclique est généré en utilisant Useful OFDM symbol duration le dernier bloc de Np échantillons du symbole OFDM copy Source : 3GPP TR 25.892
  20. 20. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Durée d’un symbole OFDM – Etant donné l’utilisation de plusieurs sous-porteuses à faible débit, contrairement aux techniques de modulation à une seule porteuse, la durée d’un symbole OFDM est grande. » Ainsi, même si le retard de diffusion est supérieur au préfixe cyclique, l’énergie de l’interférence inter-symbole reste beaucoup plus petite que l’énergie d’un symbole OFDM à condition que la durée de ce symbole soit nettement plus grande que le retard de diffusion. – En contrepartie, un Temps Symbole trop important engendre une perte de l’orthogonalité inter-porteuses et affecte les performances (fast fading) » Ainsi, il est préférable que la durée du symbole n’excède pas le temps de cohérence minimum du canal » Le temps de cohérence étant inversement proportionnel à la fréquence de Doppler maximale fd, la durée d’un symbole doit être telle que : Ts << 1/fd
  21. 21. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Espacement inter-porteuses – Afin de simplifier la réception de chaque symbole QAM transmis sur chaque sous-porteuse au cas d’un canal à évanouissement plat (flat fading channel) et de simplifier le processus d’égalisation des canaux, il faut que l’espacement inter-porteuses soit nettement inférieur à la bande de cohérence du canal. » La bande de cohérence du canal étant inversement proportionnelle au retard de diffusion τ du canal (d’un facteur 2π), l’espacement inter- porteuses doit être nettement inférieur à 1/τ » De plus, pour contrer l’effet Doppler, l’espacement inter-porteuses doit également être nettement supérieur à la fréquence de Doppler maximale
  22. 22. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Multiplexage fréquentiel et temporel – Plusieurs utilisateurs peuvent être multiplexés » Temporellement : tant que le multiplexage est effectué au débit des symboles OFDM ou à un multiple de ce débit » Fréquentiellement (frequency domain scheduling) : les symboles de données ou de signalisation de différents utilisateurs peuvent être multiplexés sur un nombre variable de sous-porteuses – Chaque sous-porteuse peut utiliser une modulation qui lui est propre, sans pour autant entraîner une complexité plus importante du récepteur Source : 3G Long-term evolution Ericsson Research
  23. 23. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Structure des slots – Le signal transmis dans chaque slot est décrit par une grille de ressources de NBW sous-porteuses et de Nsymb symboles OFDM. One downlink slot, Tslot • Chaque élément de ressource identifié par ses indices fréquentiel k et temporel l, correspond à un symbole modulé à valeur complexe ak,l Chaque symbole ak,l non utilisé dans un slot lors d’une • transmission est mis à zéro Resource element One resource block, NRB subcarriers NDL subcarriers • Un bloc de ressources est défini par Nsymb symboles OFDM consécutifs dans le temps et par NBW=12 sous-porteuses consécutives BW • Un symbole OFDM s’étale sur 12 sous-porteuses pendant une durée Ts/Nsymb • •Un signal OFDM occupe entre 72 et 2048 sous-porteuses DL N symb OFDM symbols Source : 3GPP TR 36.211
  24. 24. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Structure des slots – Le nombre Nsymb de symboles OFDM par slot dépend de la taille du préfixe cyclique configuré par les couches supérieures. Source : 3GPP TR 36.211 – la structure d’un slot pour la trame générique est la suivante : Paramétrage actuel CP court • Ts=66,67 s S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 0.5ms • CP long=16,67 s CP long • CP court=5,21 s pour le premier, puis 4,69 s S1 S2 S3 S4 S5 S6 pour les suivants 0.5ms Cyclic Prefix OFDM symbol
  25. 25. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Signal de référence – Il est utilisé notamment pour : » Les mesures de qualité des canaux DL » L’estimation des canaux DL pour une détection/démodulation cohérente au niveau récepteur » Les procédures de Cell Search et d’Initial Acquisition – Sa structure, composée de symboles de référence connus, est illustrée comme suit : Frequency domain • Les First Reference Symbols sont localisés dans le premier symbole OFDM de chaque slot DL D R1 D D D D D R1 D D D D D R1 D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D • Les Second Reference Symbols sont localisés dans D D D D D D D D D D D D D D D D D D D 0.5 ms D D D D D D D D D D D D D D D D D D D l’antépénultième symbole OFDM de chaque slot D D D D R2 D D D D D R2 D D D D D R2 D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D • L’écart fréquentiel entre chaque symbole de D D D D D D D D D D D D D D D D D D D référence est de 6 sous-porteuses R1 : First reference symbol R2 : Second reference symbol D : Data Source : 3GPP TR 25.814
  26. 26. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Paramétrage – Pour la structure de trame générique (20 slots de 0,5 ms) Source : 3GPP TR 25.814
  27. 27. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Paramétrage – La durée d’une sub-frame (deux slots) correspond au TTI minimum en DL, à savoir 1 ms – Cependant, il sera envisageable de concaténer plusieurs sub-frames en un TTI plus long afin d’optimiser la QoS » Le TTI, fourni par le Node-B de manière implicite (en indiquant la modulation, le codage et la taille des blocs de transport) ou explicite, sera alors un attribut semi-statique ou dynamique du canal – Un CP long pourra être implémenté, mieux adapté au broadcast multicellulaire ou aux très grandes cellules, de manière à contrer les retards plus importants dus au multipath
  28. 28. Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Paramétrage – Pour la structure de trame alternative (14 slots de 0,675 ms) Source : 3GPP TR 25.814
  29. 29. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Généralités sur le SC-FDMA – Le SC-FDMA offre des performances et une complexité globale similaire à l’OFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage fréquentiel à une seule porteuse. – La chaîne de transmission du SC-FDMA est la suivante : N-point Subcarrier M-point Ajout DAC DFT mapping IDFT CP N-point Subcarrier M-point Suppr ADC demapping IDFT DFT CP equalizat° La transposition du signal sur les sous-porteuses détermine, par l’insertion d’un nombre adéquat de zéros, quelle partie du spectre est utilisée pour la transmission. Deux modes de transmission sont alors possibles : le mode localisé et le mode distribué
  30. 30. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Généralités sur le SC-FDMA – Le mode localisé » Aucun zéro n’est inséré entre les échantillons de sortie de la DFT, ceux-ci étant donc transposés sur des sous-porteuses consécutives Source : 3GPP TR 25.814 Source : 3GPP R1-050248 – Le mode distribué NON RETENU PAR LA 3GPP » Un certain nombre de zéros est inséré entre chaque échantillon de sortie de la DFT, offrant une plus grande diversité fréquentielle Source : 3GPP R1-050248 Source : 3GPP TR 25.814
  31. 31. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Avantages du SC-FDMA – La détection en OFDMA s’effectuant par sous-porteuse, un zéro sur le spectre dégrade fortement les performances – Au contraire, la détection en SC-FDMA a lieu après l’IDFT et s’effectue donc sur l’ensemble du signal, ce qui permet de moyenner le SNR sur la totalité de la bande de fréquences utilisée Source : Hyung G. Myung PhD Thesis
  32. 32. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Avantages du SC-FDMA – L’envoi de données en OFDM s’effectuant parallèlement sur plusieurs sous-porteuses, le PAPR résultant est élevé – Au contraire, le SC-FDMA consiste en l’envoi de données en série sur une même porteuse, permettant de ce fait d’obtenir un PAPR moindre Source : IEEE PIRMC’06 – PAPR of SC-FDMA Signals with Pulse Shaping Source : Hyung G. Myung PhD Thesis
  33. 33. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Génération et réception d’un signal SC-FDMA • SC-FDMA • OFDMA • L’OFDM et le SC-FDMA utilisent les mêmes blocs fonctionnels , la seule différence entre les deux diagrammes étant la présence des blocs DFT et IDFT pour la génération d’un signal SC-FDMA. • C’est pourquoi les deux technologies ont les mêmes link level performances et la même efficacité spectrale.
  34. 34. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Génération et réception d’un signal SC-FDMA – Le SC-FDMA, aussi appelé DFT-spread OFDMA, consiste à transposer les symboles de données du domaine temporel dans le domaine fréquentiel par une DFT avant d’opérer la modulation OFDM • Le transmetteur convertit le signal d’entrée SC-FDMA mode localisé binaire en une suite de symboles complexes modulés, regroupés en un bloc de M symboles 0 m bits 1 0 Bit to x(0,n) fo Constellation 0 Mapping • Une DFT à M points permet ensuite 0 f1 m bits 0 2 Bit to x(1,n) d’obtenir une représentation fréquentielle Incoming Bit Constellation Parallel to N-point Serial to Add cyclic Stream Mapping M-point f M / 2−1 Parallel Serial IFFT prefix des symboles d’entrée FFT Converter converter fM / 2 f M−2 m bits 0 M Bit to x(M- 1,n) 0 • Chacune des M sorties de la DFT est Constellation 0 fM−1 Mapping 0 transposée sur une des N sous-porteuses 0 orthogonales • Enfin, comme en OFDMA, une IDFT à N Channel BW points permet d’obtenir un unique signal dans le domaine temporel Source : 3GPP R1-050584
  35. 35. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Structure des slots – Le nombre de symboles SC-FDMA dans un slot, dépend de la taille du préfixe cyclique : Source : 3GPP TR 36.211 – Dans chaque slot SC-FDMA, le deuxième et l’avant dernier symbole sont des symboles courts (short blocks) utilisés notamment pour la transmission du signal de référence. – Les autres symboles sont des symboles longs (long blocks) utilisés exclusivement pour la transmission de données et/ou de signalisation. One uplink slot, Tslot N symb − 3 N symb − 2 N symb − 1 UL UL UL 0 1 2 3 Modulation symbol au ,N symb Source : 3GPP TR 36.211 UL
  36. 36. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Structure des slots – Structure d’un slot pour une trame générique (CP normal) Source : 3GPP TR 25.814 – Structure d’un slot pour une trame alternative (CP normal) Source : 3GPP TR 25.814 CP : Cyclic Prefix - LB : Long Block - SB : Short Block - TI : Time Interval
  37. 37. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Signal de référence – Les signaux de référence étant donc transmis sur les deux short blocks d’un slot, la bande passante des sous-porteuses nécessaire à leur envoi est deux fois supérieure à celle utilisées à l’envoi des long blocks. – Ces signaux permettent notamment au Node-B : » L’estimation du canal UL pour une détection et une démodulation cohérente » L’estimation de la qualité du canal UL pour le scheduling des canaux – On distingue deux structures pour ces signaux de référence : Source : 3GPP TR 25.814 • La structure distribuée dans laquelle les signaux • La structure localisée dans laquelle les signaux occupent une portion de spectre combinée occupent une portion de spectre continue
  38. 38. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Signal de référence – L’orthogonalité entre les signaux de référence est assurée par » Leur transmission à travers des ensembles distincts de sous-porteuses (orthogonalité fréquentielle) » Leur transmission à travers un large ensemble continu de sous-porteuses (orthogonalité par code) » Leur transmission à des instants différés (orthogonalité temporelle) » La combinaison des méthodes précitées Reference signal #1 Reference signal #2 Reference signal #3 Orthogonalité fréquentielle Orthogonalité par code
  39. 39. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Paramétrage – Pour la structure de trame générique Source : 3GPP TR 25.814
  40. 40. Etude de la couche physique Uplink SC-FDMA • Paramétrage – Pour la structure de trame alternative Source : 3GPP TR 25.814
  41. 41. Plan de l’étude Introduction I. Etude de la couche physique : concepts implémentés II. Performances
  42. 42. Performances Downlink • Méthode d’évaluation des performances – Le tableau suivant comporte les pré-requis en termes de taux d’erreur pour différent type de service, celui-ci limitant la charge du réseau : Type de trafic Taux d’erreur limite HTTP – Navigation Web (TCP) 2% de taux de coupure - Débit utilisateur packet call < P P=128Kbps pour une BP>2.5MHz sinon P=32Kbps FTP – (TCP) 2% de taux de coupure - Débit utilisateur packet call < Q Q=128Kbps pour une BP>2.5MHz sinon Q=32Kbps VoIP 2% de taux de coupure avec moins de 98% des frames de voix envoyées avec un délai inférieur à [40] ms sur l’interface air frames de voix consécutives perdues < [0.05]% S Kbps Streaming Vidéo 2% de taux de coupure avec plus de 2% de paquets perdus S=128 pour une BP >2.5MHz sinon 64 Vidéo Conferencing Audio : Comme la VoIP Vidéo ; Comme le Streaming Vidéo Source : 3GPP TR 25.814
  43. 43. Performances Downlink • Débits théoriques – Le tableau suivant décrit les débits pics en DL pour l’E-UTRA FDD/TDD Source : 3GPP TR 25.814
  44. 44. Performances Downlink • Débits théoriques – La figure suivante présente le débit atteignable en fonction du Es/N0 reçu. » Configuration MIMO 2x2, BP=20MHz, 2 types d’UE et divers taux de codage et modulations Source : 3GPP TR 25.814 120 • La modulation QPSK est la plus avantageuse QRM-MLD using ASESS pour des valeurs de Es/N0 variant de 0 à 11 dB MMSE 100 QPSK R = 1/2 • Pour des valeurs de Es/N0 de 11 à 20 dB, c’est QPSK R = 2/3 QPSK R = 3/4 Throughput (Mbps) la modulation 16QAM qui donne le meilleur débit 80 16QAM R = 1/2 16QAM R = 2/3 16QAM R = 3/4 • Pour un Es/N0 supérieur à 20 dB, la modulation 16QAM R = 4/5 60 64QAM R = 2/3 64QAM est préférable et permet d’atteindre le 64QAM R = 3/4 64QAM R = 4/5 débit requis de 100 Mbit/s 40 • Pour chaque modulation, l’augmentation 20 progressive du Es/N0 permet l’utilisation de taux de codage de plus en plus élevés 0 0 5 10 15 20 25 30 Average received Es/N0 per receiver branch (dB)
  45. 45. Performances Downlink • Débits théoriques – La figure suivante présente les débits pics, moyens et en bordure de cellule pour 3 scénarios différents et suivant différentes configurations MIMO » Scénario A : Environnement multicellulaire » Scénario B : Site trisectoriel isolé » Scénario C : Cellule isolée Source : 3GPP TR 25.814 Pour atteindre le débit de 100 Mbit/s (BP=20MHz) • Dans le cas A : une configuration MIMO 4x4 est nécessaire A B C • Dans le cas B : la configuration MIMO 2x4 suffit • Dans le cas C : la configuration (1,2) (2,2) (2,4) (4,4) (1,2) (2,2) (2,4) (4,4) (1,2) (2,2) (2,4) (4,4) MIMO 2x2 suffit Ces résultats montrent donc que les paramètres en DL doivent être adaptés aux différents scénarios de déploiement
  46. 46. Performances Downlink • Evaluation du débit – Il s’agit là d’une comparaison entre OFDMA et W-CDMA. Celle-ci met en avant les différences de débit et d’efficacité spectrale entre ces deux techniques d’accès et permet d’évaluer les performances de l’OFDMA par rapport aux pré-requis suscités. » Les configurations utilisées correspondent à celles du document TR 25.913 » Modèle de trafic : Full Buffer » Scheduling : Proportional Fair – Le tableau ci-dessous présente l’efficacité spectrale de l’OFDM par rapport au WCDMA pour 10 utilisateurs par secteur et différentes largeurs de sous-bandes OFDM : Source : 3GPP TR 25.814 Référence OFDM 0.5 ms TTI OFDM 0.5 ms TTI OFDM 0.5 ms TTI Vitesse WCDMA Cas Sous bandes de 375 KHz Sous bandes de 563 KHz Sous bandes de 1125 KHz [km/h] Type I [b/s/Hz] (bps/Hz) [b/s/Hz] [b/s/Hz] 1 3 0.988 1.840 (+86%) 1.782 (+80%) 1.560 (+58%) 2 30 0.664 1.510 (+127%) - 1.260 (+90%) 3 3 0.922 1.620 (+76%) - -
  47. 47. Performances Downlink • Evaluation du débit – Le tableau ci-dessous présente les différentes configurations proposées par les constructeurs lors des tests comparatifs avec les performances du W-CDMA : Source : 3GPP TR 25.814
  48. 48. Performances Downlink • Evaluation du débit – Le tableau ci-dessous présente les différentes configurations proposées par les constructeurs lors des tests comparatifs avec les performances du W-CDMA : Il est fréquent d’excéder un gain de 3x pour le débit par secteur et par utilisateur, et un gain de 2x pour le débit des utilisateurs en bordure de cellule. Cependant, obtenir simultanément un gain de 3/4x pour le débit par secteur et par utilisateur et un gain de 2/3x pour le débit des utilisateurs en bordure de cellule est plus rare. Cela a été possible pour les simulations 4a,b,c et 2b, grâce à l’utilisation du MIMO 2x2, d’un TTI plus long et/ou moins de signalisation. Source : 3GPP TR 25.814
  49. 49. Performances Downlink • Evaluation de la capacité VoIP – Afin de définir la capacité VoIP, on procède comme suit : » On estime le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 2% étant donné un délai de transmission limite. En cas de dépassement de ce délai pour un paquet, l’appel est comptabilisé en tant qu’erreur. » Si le délai de transmission de 95% des UEs, ayant un BLER inférieur à 2%, est inférieur au délai limite de 100 ms, alors on considère le critère VoIP comme étant satisfait. » Le nombre maximum d’UEs qui satisfont le critère précédent définit la capacité VoIP du réseau. – Ci-dessous sont présentés les résultats des simulations de System Level pour la capacité VoIP de l’E-UTRA par rapport à l’UTRA des Rel.5 et 6 » Modulation QPSK, R=1/2, BP=5MHz Source : 3GPP R1-062511
  50. 50. Performances Downlink • Evaluation de la capacité VoIP – Les courbes ci-dessous présentent le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 2% en fonction du délai de transmission limite Rel.6 Rel.5 1 1 0.95 0.95 Percentage of UEs with BLER<2% 0.9 Percentage of UEs with BLER<2% 0.9 0.85 0.85 0.8 0.8 0.75 0.75 0.7 0.7 0.65 0.65 0.6 120 UEs 0.6 195 UEs 125 UEs 0.55 200 UEs 0.55 130 UEs 205 UEs 0.5 0.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Delay Bound [msec] Delay Bound [msec] Source : 3GPP R1-062511 Source : 3GPP R1-062511 E-UTRA 1 0.9 0.8 Perc en t a ge o f UEs with BLER<2 % 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 400 UEs 420 UEs 0.1 440 UEs 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Delay Bo und [ msec ] Source : 3GPP R1-062511
  51. 51. Performances Uplink • Débits théoriques – Le tableau suivant décrit les débits pics en UL pour l’E-UTRA FDD/TDD Source : 3GPP TR 25.814
  52. 52. Performances Uplink • Débits théoriques – La figure suivante présente le débit atteignable en fonction du Es/N0 reçu. » Configuration MIMO 1x2, BP=20MHz , divers taux de codage et modulations Source : 3GPP TR 25.814 • La modulation QPSK est la plus avantageuse 50 pour des valeurs de Es/N0 inférieures 7 dB QPSK R = 1/3 QPSK R = 1/2 Throughput (Mbps) 40 QPSK R = 3/4 • Au-delà, la modulation 16QAM est privilégiée 16QAM R = 1/2 et permet d’atteindre un débit de 50 Mbit/s 16QAM R = 3/4 16QAM R = 4/5 30 pour un Es/N0 supérieur à 23 dB 16QAM R = 8/9 • Pour chaque modulation, l’augmentation 20 progressive du Es/N0 permet l’utilisation de taux de codage de plus en plus élevés 10 0 -5 0 5 10 15 20 25 Average received Es/N0 per receiver branch (dB)
  53. 53. Performances Uplink • Débits théoriques – Le LTE utilisant la technologie MIMO, il est intéressant de comparer les résultats obtenus, en termes de débit, en fonction des différentes configurations antennaires – La figure suivante compare les débits atteignables des configurations SIMO (1x2) et MIMO (2x2) en fonction du SNR et pour une bande passante de 5 MHz Throughput in high SNR Region • Ci-dessous, les gains de chaque configuration 20 18 pour un SNR de 24 dB, par rapport au 16QAM 16 R=7/8 SIMO qui permet d’atteindre un débit de 14 10,6 Mbit/s Throughput in MBPS 12 10 Configuration 2ème Débit sur 5 Mhz en Gain par rapport au antenne Mbit/s SIMO 8 16QAM r1/3 14,7 1,4x 6 16QAM r7/8, 16QAM r1/2 MIMO 4 16QAM r1/2 17 1,6x 16QAM r7/8, 16QAM r1/3 MIMO 16QAM r7/8, 16QAM r3/4 MIMO 2 16QAM r7/8 SIMO 16QAM r3/4 19 1,8x 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 SNR (dB) Source : 3GPP TR 25.814
  54. 54. Performances Uplink • Evaluation du débit – Le tableau ci-dessous présente les différentes configurations proposées par les constructeurs lors des tests comparatifs avec les performances du W-CDMA : Source : 3GPP TR 25.814
  55. 55. Performances Uplink • Evaluation du débit – Le tableau ci-dessous présente les différentes configurations proposées par les constructeurs lors des tests comparatifs avec les performances du W-CDMA : Source : 3GPP TR 25.814 On remarque que les débits obtenus sont plus de 2x supérieurs à ceux du W-CDMA (en excluant le cas 6)
  56. 56. Performances Uplink • Evaluation de la capacité VoIP – Afin de définir la capacité VoIP, on procède comme suit : » On estime le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 1% étant donné un délai de transmission limite. En cas de dépassement de ce délai pour un paquet, l’appel est comptabilisé en tant qu’erreur. » Si le délai de transmission de 95% des UEs, ayant un BLER inférieur à 1%, est inférieur au délai limite de 100 ms, alors on considère le critère VoIP comme étant satisfait. » Le nombre maximum d’UEs qui satisfont le critère précédent définit la capacité VoIP du réseau. – Ci-dessous sont présentés les résultats des simulations de System Level pour la capacité VoIP de l’E-UTRA par rapport au W-CDMA E-DCH » Modulation QPSK, R=2/3 Source : 3GPP R1-062230 A la différence des tests downlink, le scheduling dynamique n’a pas été implémenté. On a préféré allouer à chaque UE une certaine quantité de ressources fixe dès le début des simulations.
  57. 57. Performances Uplink • Evaluation de la capacité VoIP – Les courbes ci-dessous présentent le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 1% en fonction du délai de transmission limite W-CDMA E-DCH E-UTRA 1.00 1.00 0.95 0.95 0.90 0.90 Percentage of UEs withBLER<1% 0.85 0.85 0.80 0.80 0.75 0.75 0.70 0.70 0.65 0.65 0.60 0.60 120UEs 70UE 0.55 150UEs 0.55 75UE 0.50 0.50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100 Delay Bound[msec] Source : 3GPP R1-062230 Source : 3GPP R1-062230

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