Présentation de la technologie LTE

1. Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux
NORME CONDIDATE POUR LA STANDARISATION 4G LTE ADVANCED
Proposé par: M. MOUSSAOUI
Réalisé par: Anas BENNANI Anouar LOUKILI Assia MOUNIR Hasnae GUENNOUNI Yasser KHAMILICHI

2. Introduction
3G Long Term Evolution:
OFDM,OFDMA/SC-FDMA
MIMO
Schémas Duplex FDD/TDD
Structure de Trame & Sous-trame
Canaux Physiques, Logiques & de Transport
Spectre & Bandes de Fréquence
SAE
Conclusion
2

3. Avec des services tels que WiMAX
offrant de très hauts débits, le travaille
sur le développement d’une nouvelle
génération de technologie cellulaire a
commencé.
Mise à niveau de la technologie
cellulaire UMTS baptisée LTE.
L’idée est que la 3G LTE permettra:
Débits plus élevés
Temps de latence beaucoup plus faible
(besoin croissant pour de nombreux services),
3G LTE permettra aux services de
communications cellulaires d’aller de
l'avant pour répondre aux besoins en
matière de technologie cellulaire à
2017 et bien au-delà.
3

4. HSPA & HSPA + sont en cours de déploiement,
Développement de la 3G LTE est entrain d’être baptisé 3.99G comme ce n'est pas
encore un plein standard 4G, (en réalité nombreuses sont les similitudes avec les technologies
cellulaires pronostiquées pour la 4G).
La 3G LTE apportera des améliorations significatives en performance sur les
normes 3G existantes.
De nombreux opérateurs n'ont pas encore mis à niveau leurs réseaux 3G de base,
et la LTE est considérée comme la prochaine étape logique pour beaucoup
d‘entre eux, car cela évitera de fournir plusieurs stades de mises à niveau.
L'utilisation de la LTE fournira également les capacités de données qui seront
nécessaires pendant plusieurs années à venir et jusqu'à ce que le lancement
complet des normes de la 4G connues sous le nom de LTE Advanced.
4

5. WCDMA HSPA
HSPA+ LTE
(UMTS) HSDPA / HSUPA
Max downlink speed
384 k 14 M 28 M 100M
(bps)
Max uplink speed
128 k 5.7 M 11 M 50 M
(bps)
Latency
round trip time 150 ms 100 ms 50ms (max) ~10 ms
approx
3GPP releases Rel 99/4 Rel 5 / 6 Rel 7 Rel 8
Approx years of initial 2005 / 6 HSDPA
2003 / 4 2008 / 9 2009 / 10
roll out 2007 / 8 HSUPA
Access method CDMA CDMA CDMA OFDMA / SC-FDMA
5

6. Parameter Details
Peak downlink speed 100 (SISO), 172 (2x2 MIMO), 326 (4x4 MIMO)
64QAM (Mbps)
Peak uplink speeds (Mbps) 50 (QPSK), 57 (16 QAM), 86 (64 QAM)
Data type All packet switched data (voice and data).
No circuit switched.
Channel bandwidths (MHz) 1.4, 3, 5, 10, 15, 20
Duplex schemes FDD & TDD
Mobility 0 - 15 km/h (optimised),
15 - 120 km/h (high performance)
Latency Idle to active less than 100ms
Small packets ~10 ms
Spectral efficiency Downlink: 3 - 4 times Rel 6 HSDPA
Uplink: 2 -3 x Rel 6 HSUPA
Access schemes OFDMA (Downlink)
SC-FDMA (Uplink)
Modulation types supported QPSK, 16QAM, 64QAM (Uplink and downlink)
6

7. Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux

8. Elément clé de la LTE : utilisation de la technologie OFDM et
des régimes d'accès associés.
OFDM est utilisée dans un certain nombre d'autres systèmes :
WLAN,
WiMAX
Technologies de broadcast (DVB, DAB, …).
OFDM présente de nombreux avantages.
Compte tenu de ses avantages, l'utilisation de l’OFDM et des
technologies d'accès associés, OFDMA/SC-FDMA sont des
choix naturels pour la nouvelle norme cellulaire LTE.
8

9. Problèmes des systèmes Single Carrière:
Multi-trajets
Domaine temporel : IES
Domaine fréquentiel : Distorsion spectre
Solution: Egalisation
Inversion du canal
Egalisateur Rake (Systèmes CDMA)
Dans les deux cas, l'implémentation d’égaliseur canal devient
de plus en plus complexe avec l'augmentation des débits .
9

10. Systèmes OFDM subdivisent la BP en plusieurs sous-porteuses étroites et
transmettent les données en flux parallèles.
Chaque sous-porteuse est modulée à l'aide de niveaux
variables de modulation QAM, i.e. QPSK, QAM, 64 QAM.
Chaque symbole OFDM est une combinaison linéaire des
signaux instantanés sur chacune des sous-porteuses dans le
canal.
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11. Deux aspects remarquables de l'OFDM:
Chaque symbole OFDM est précédé d'un préfixe cyclique (CP),
=> éliminer efficacement l'IES.
Des sous-porteuses étroitement espacées,
=> usage efficace de la BP, sans présence d’ICI - Inter Carrier Interference-.
11

12. OFDM, comme toute les modulation, souffre de quelques défauts:
Sensibilité aux erreurs de fréquence porteuse.
Symbole OFDM est somme de sous-porteuses (pbm: non zero-ICI).
PAPR* élevé .
OFDM n'est pas un schéma de modulation à enveloppe constante (pbm: écrêtage).
12
[*] PAPR ( Peak-to-Average Power Ratio).

13. OFDMA régime de multiplexage en LTE downlink.
Signal OFDM utilisé en LTE comporte un max de 2048 sous
porteuses présentant un espacement de 15 kHz.
Au sein du signal OFDM, il est possible de choisir entre trois
types de modulation:
QPSK (= 4QAM) - 2 bits par symbole -
16QAM - 4 bits par symbole -
64QAM - 6 bits par symbole -
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14. En OFDMA, les utilisateurs se voient attribuer un nombre précis de sous-
porteuses pour un time slot prédéterminé, appelées PRBs, (Physical
Resource Blocks).
Les PRBs ont chacun une dimension temps et fréquence.
La Répartition des PRBs est géré par une fonction de planification à la
station de base.
14

15. La division des sous-porteuses en PRBs permet de compartimenter
les données à travers des numéros standards de sous-porteuses.
PRBs couvrent un time slot et sont composés de 12 sous-
porteuses, indépendamment de la bande passante globale du
signal.
Cela signifie que les différentes largeurs de bande des signaux LTE
auront différents nombres de blocs ressources.
Bandwidth canaux
(MHz)
1.4 3 5 10 15 20
Nombre de PRBs 6 15 25 50 75 100
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16. Le signal en downlink se compose de NBW sous-porteuses
pour une durée de Nsymb symboles OFDM ce qui peut être
représentée par une grille de ressources.
Chaque case de la grille représente une sous-porteuse unique pour une période de symbole et est
désignée par « Resource Element ».
Notez que dans les applications MIMO, il y a une grille de ressources pour chaque antenne
d'émission.
16

17. Pour faciliter :
estimation offset de la porteuse,
estimation du canal,
synchronisation, ...
LTE intègre des signaux spécifiques
de référence dans les PRBs.
Les signaux de référence sont transmis:
CP court : 1er et 5ème symboles OFDM de chaque slot
CP étendu : 1er et 4ème symboles OFDM,
Notons que les symboles de référence sont transmis chaque six sous-porteuses. 17

18. En LTE uplink, un concept différent est utilisé en technique
d'accès. Bien qu’on utilise encore une forme de technologie
OFDMA, l'implémentation est appelé Single Carrier
Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA).
Sans surprise, la consommation d'énergie est une
considération clé pour les UE. Le PAPR élevé et la perte en
efficacité associés à l'OFDM sont des préoccupations
majeures.
La SC-FDMA est bien adaptée aux exigences de la LTE en
uplink.
18

19. La SC-FDMA offre des performances et une complexité globale similaire à
l’OFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage fréquentiel a une
seule porteuse.
La chaine de transmission du SC-FDMA est la suivante :
La transposition du signal sur les sous-porteuse 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 localise
et le mode distribue
19

20. Le mode localisé:
≫ Aucun zéro n’est inséré entre les échantillons de sortie de la DFT, ceux-ci
étant donc transposes sur des sous-porteuses consécutives
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
20

21. Génération et réception d’un signal SC-FDMA
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.
21

22. Génération et réception d’un signal SC-FDMA
Le transmetteur convertit le signal d’entrée binaire en une suite de symboles complexes
modules, regroupes en un bloc de M symboles
Une DFT a M points permet ensuite d’obtenir une représentation fréquentielle des symboles d’entrée
Chacune des M sorties de la DFT est transposée sur une des N sous-porteuses orthogonales
Enfin, une IDFT a N points permet d’obtenir un unique signal dans le domaine temporel 22

23. Avantages du SC-FDMA :
OFDM: détection par sous-porteuse, un zéro sur le spectre dégrade fortement
les performances.
SC-FDMA: détection a lieu après l’IDFT et s’effectue donc sur l’ensemble du
signal, permettant de moyenner le SNR sur la totalité de la bande de
fréquences utilisée.
23

24. Avantages du SC-FDMA:
OFDM: envoi de données s’effectuant parallèlement sur
plusieurs sous-porteuses
 PAPR élève.
SC-FDMA: envoi de données en série sur une même porteuse
 PAPR moindre.
24

25. Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux

26. La couche PHY LTE peut exploiter des Trx/Rx multiples à la fois côté BTS et côté
UE pour renforcer la robustesse du lien et augmenter les débits pour la
transmission downlink LTE.
La Maximal Ratio Combining (MRC) est utilisée pour accroître la fiabilité du
lien dans des conditions de propagation difficiles (signal faible, multi-trajets).
La MIMO est une technique apparentée qui est utilisé pour augmenter les
taux de données du système.
26

27. Avec MRC, un signal est reçu par deux (ou plus) d'antennes séparées / paires
émetteur-récepteur.
Antennes physiquement séparées, et donc ont des réponses impulsionnelles
distinctes du canal.
La compensation de canal est appliquée à chaque signal reçu dans le processeur
bande de base avant d'être linéairement combinés pour créer un signal composite
unique reçu.
Toutefois, le bruit thermique de chaque Trx/Rx est non corrélé. Ainsi, la
combinaison linéaire des signaux de canal compensés en bande de base
un meilleur SNR.
27

28. 28

29. Amélioration de la fiabilité en présence de bruit AWGN et de sélectivité en fréquence
Amélioration du SNR
La possibilité de sélectivité en fréquence profonde se retrouve considérablement
réduite
Amélioration de la fiabilité du lien
MRC n'augmente pas le taux nominal de données du système !!
MRC est donc une forme de diversité de récepteurs
MIMO (Multiple Input Multiple Output)
29

30. SISO
MISO
30
MIMO

31. 31

32. Principe: utilisation des antennes multiples en émission comme à la réception.
L’opération MIMO nécessite une connaissance a priori de toutes les réponses du
canal
En LTE, les réponses impulsionnelles des canaux sont déterminées par la
transmission séquentielle de signaux de référence connus de chaque antenne de
transmission
32

33. La combinaison linéaire des deux flux de données sur les deux antennes du récepteur
des donne comme résultat un système de deux équations à deux inconnues, qui se
résout par deux flux de données d'origine.
Exemple: LTE downlink
33

34. Amélioration de la fiabilité du lien par la MRC
Augmentation du rapport SNR
Amélioration du taux nominal de données du
système : Augmentation Débit
34

36. Il est essentiel que tout système de communication cellulaire doit
être capable de transmettre dans les deux directions
simultanément.
Afin d’être en mesure de transmettre dans les deux sens, un UE ou
une station de base doit disposer d'un schéma duplex.
Il existe deux formes de duplex qui sont couramment utilisés:
FDD : Frequency Division Duplex
TDD : Time Division Duplex.
36

37. FDD : Frequency Division Duplex
Caractéristiques
Nécessité d’un duplexeur  Coût de matériel
élevé
Utilisation des deux canaux différents dans les deux
directions
Bande de garde:
Isolation entre UL & DL
Une Large bande de garde n'affecte pas la capacité
Nécessité d’une transmission en continue
Pas d’interférence inter-slots
37

38. TDD : Time Division Duplex
Caractéristiques
Moindre coût
Utilisation du même canal de transmission dans les deux
liaisons
Bande de garde:
Isolation entre UL & DL
Une grande période de garde va limiter la capacité.
Nécessité d’une transmission en discontinue
permission à la fois la transmission en liaison montante et
en liaison descendante.
Pouvoir dégrader les performances de l'amplificateur RF de
puissance de l'émetteur.
Pouvoir la production des interférence inter-slots
38

39. En Bref
il est prévu que LTE FDD sera la plus répandue
Il est prévu que les terminaux seront en mesure de
fonctionner en utilisant soit le mode FDD-LTE ou LTE
TDD (TD-LTE)
Les UEs LTE seront des téléphones à double standard
le principal problème sera ensuite les bandes de
fréquences que le téléphone peut couvrir.
39

40. Objectifs
Maintien de la synchronisation
Gestion les différents types d'informations
transportées
Le système 3G LTE a défini une structure de
trame et de sous-trame pour l'E-UTRA :
l'interface radio pour la 3G LTE.
40

41. Les structures de trames pour la LTE diffèrent
entre les modes duplex TDD et FDD, car il ya
des exigences différentes sur la séparation des
données transmises.
Il existe deux types de structures de trames
LTE:
Type 1: Utilisé par les systèmes opérant en mode
LTE FDD
Type 2: Les systèmes opérant en mode LTE TDD.
41

42. Structure de trame LTE Type 1 (FDD)
Longueur totale de 10 ms
20 slots individuels.
La sous-trame LTE se compose de deux slots
42

43. Structure de trame LTE Type 2 (TDD)
Les sous-trames peuvent être divisées en sous-
trames de types sous-trames spéciales.
43

44. Structure de trame LTE Type 2 (TDD)
Les sous-trames spéciales sont composées de
trois champs
DwPTS - Downlink Pilot Time Slot
Utilisé pour la synchoronisation download
GP - Guard Period
Assure la transmission de UE sans avoir des interférences
entre UL et DL.
UpPTS - Uplink Pilot Time Stot
utilisé par Node B pour déterminer le niveau de puissance
reçu et la duréé de la puissade l'UE.
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45. Structure de trame LTE Type 2 (TDD)
Les sous-trames spéciales sont composées de
trois champs
DwPTS - Downlink Pilot Time Slot
Utilisé pour la synchoronisation download
GP - Guard Period
Assure la transmission de UE sans avoir des interférences
entre UL et DL.
UpPTS - Uplink Pilot Time Stot
utilisé par Node B pour déterminer le niveau de puissance
reçu et la duréé de la puissade l'UE.
45

47. Différents canaux sont utilisés pour séparer les différents
types de données et leur permettent d'être transportés à
travers le Radio Access Network d'une façon ordonnée.
Canaux Physiques: transportent les données utilisateur et
les messages de contrôle.
Canaux de Transport: fournissent les informations de
transfert à la Medium Access Control (MAC) et aux couches
supérieures.
Canaux Logiques: fournissent des services au niveau de la
couche MAC à l'intérieur de la structure protocolaire de la
LTE.
47

48. NAS Non Access Stratum:
LTE MAC fournit le transfert de données et les MME dans le CN LTE - gestion de la
communication avec la services de mapping .
mobilité de gestion de session.
Layer 3: Radio Resource Control (RRC)
diffusion d'informations Système - configure RLC, MAC et PDCP,
fonctions de mobilité - fonctions de gestion de QoS.
Layer 2:
NAS
Packet Data Convergence Protocol (PDCP):
IP header compression - Réduire le nombre de bits à transmettre.
Layer 3
Basé sur Robust Header Compression ROHC
Radio Link Control (RLC)
Segmentation / concaténation - La retransmission
Layer 2
Medium Access Control (MAC)
Uplink / downlink scheduling - Hybrid-ARQ retransmissions
Choix de la modulation – assignement de Ressource
Layer 1
Layer 1 :La couche physique (PHY)
Codage / décodage - Modulation / Démodulation
MAC in the LTE Protocol Stack 48
le mapping des ressources

49. Protocol architecture:
Layer 3 RRC
PDCP
Layer 2 RLC
Canaux logiques
MAC
Canaux de Transport
Layer 1 PHY
Canaux Physiques
Transceiver
49

50. Physical Broadcast Channel (PBCH) : transporte les informations système, pour
les UE, nécessaires pour accéder au réseau.
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : informer l'UE sur le
nombre de symboles OFDM (1, 2 ou 3) utilisé pour le PDCCH dans une sous-trame.
Ce canal se compose de 32 bits brouillés qui sont spécifiques aux cellules pour la
modulation et le mapping.
Physical Downlink Control Channel (PDCCH) : transporter principalement
l’ordonnancement de l'information.
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) : indiquer le statut Hybride ARQ.
Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : Ce canal est utilisé pour l'unicast et
les fonctions de paging.
Physical Multicast Channel (PMCH) : transporte les informations système à des
fins de multicast.
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : fournit des informations
pour permettre à l'UE de décoder le PDSCH. 50

51. Physical Uplink Control Channel (PUCCH) : Envoie des
accusés ARQ.
Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : Ce canal est
l’analogue du canal PDSCH en Uplink.
Physical Random Access Channel (PRACH) utilisé pour les
fonctions d'accès aléatoire (Random Access).
51

52. Broadcast Channel (BCH) : Ce canal de transport LTE
mappe au Broadcast Control Channel (BCCH).
Downlink Shared Channel (DL-SCH) : Ce canal de
transport est le canal principal pour le transfert de
données en liaison descendante. Il est utilisé par de
nombreux canaux logiques.
Paging Channel (PCH) : Pour transmettre le PCCH
Multicast Channel (MCH) : Ce canal de transport est
utilisé pour transmettre les informations MCCH afin
d’établir les transmissions multidiffusion.
52

53. Uplink Shared Channel (UL-SCH) : Ce canal de
transport est le canal principal de liaison montante
pour le transfert de données. Il est utilisé par de
nombreux canaux logiques.
Random Access Channel (RACH) : Ceci est utilisé
pour les conditions d’accès aléatoire.
53

54. Broadcast Control Channel (BCCH) : fournit des informations système à tous les
terminaux mobiles connectés à la eNodeB.
Paging Control Channel (PCCH) : utilisé pour les informations de paging lors de
la recherche d'une unité sur le réseau.
Common Control Channel (CCCH) : utilisé pour obtenir des renseignements
d’ accès aléatoire.
Multicast Control Channel (MCCH) : utilisé pour les informations nécessaires
pour la réception de multidiffusion.
Dedicated Control Channel (DCCH) : pour le transfert des informations de
contrôle spécifiques à l’utilisateur, par exemple les actions de contrôle y compris le
contrôle de puissance, handover, etc.
54

55. Dedicated Traffic Channel (DTCH) : Ce canal de
trafic est utilisé pour la transmission des données
utilisateur.
Multicast Traffic Channel (MTCH) : Ce canal est
utilisé pour la transmission de données multicast.
55

56. Canaux
logiques
Canaux de
transport
Canaux
Physiques
Downlink Uplink
56

58. Il y a un nombre croissant de bandes de fréquences qui sont
susceptibles pour une utilisation dans la LTE FDD.
58

59. Il y a plusieurs allocations TDD qui sont en cours de préparation pour
l’utilisation en LTE TDD.
59

61. LTE = Long Term Evolution (aussi connu sous le nom de eUTRAN)
SAE = System Architecture Evolution (ce qui définit EPC)
EPC = Evolved Packet Core
EPS = Evolved Packet System qui inclut EPC, LTE et les terminaux
61

62. Architecture EPS (LTE/SAE)
L’architecture EPS est constitué d’un EPC
(Packet Core Network) et d’un eUTRAN
Radio Access Network
Le Réseau Coeur fournit l’accès pour les
packets IP des réseaux externes il assure
aussi plusieurs fonctionalités ( QoS,
EPS sécurité, mobilité et la gestion des
terminaux)
Le Réseau d’accès radio assure toutes les
fonctions relatives à l’interface radio
62

63. UTRAN/ e-UTRAN
UMTS
Suppression de l’entité RNC de l’UMTS LTE
La majorité des fonctionalités RNC sont
maintenant assurées par les eNodeB
eNodeB directement connectées entre
elles et avec le réseau cœur EPC 63

64. Architecture e-UTRAN
Architecture plate et simplifiée comparée à celle hiérarchique 2G/3G
La seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé à un
nodeB+RNC, qui est responsable de la transmission et de la réception radio
avec l’UE.
64

65. Architecture SAE : EPC
Mobility Management Entity
Home Subscriber Server, la base de données des
Entité de gestion de mobilité,
abonnées
c’est le nœud principal de
contrôle du réseau d'accès
LTE SAE Packet Data Network Gateway
La passerelle PDN assure la
connectivité pour l'UE à des
réseaux de paquets de données
externes
Serving Gateway, La
passerelle de service
SGW, est un élément Policy and Charging Rules Function l'entité
plan de données au sein qui détecte les flux de service, applique la
de la LTE SAE politique de tarification 65

66. Avantages EPS
Architecture plate et simplifiée
Architecture uniquement paquet
Connectivité permanente tout-IP
Réduction de la latence
Réduction des OPEX et CAPEX
Capacité de données améliorée
Communications en environnement
hétérogène
66

67. Dans cette présentation, on a essayé de décrire l’architecture du système
et les objectives de la technologie de réseau d’accès « next generation »
développée par la 3GPP.
Avec les débits envisagés, la latence ciblée ainsi que la simplicité du
système mais encore une flexibilité en terme de spectre ajoutée à un coût
moindre, la LTE est destinée à offrir une meilleurs expérience d’utilisateur,
et générer plus de services à valeur ajoutée ainsi que des équipements
mobiles plus intéressants, devenant de cette manière encore plus
compétitive aux technologies sans fil (i.e. wi4 WiMAX), dans les dix
années avenir.
67

68. 3GPP TS 23.002 V8.5.0, Network architecture (Release 8), Juin
2009.
3GPP TR 24.801 V8.1.0, 3GPP System Architecture Evolution
(SAE); CT WG1 aspects (Release 8), Décembre 2008.
3GPP TR 23.882 V8.0.0, 3GPP System Architecture Evolution:
Report on Technical Options and Conclusions (Release 8),
Décembre 2008.

69. Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux