1. Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux 3GPP Long Term Evolution 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. PLAN GENERAL 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. Introduction 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. Introduction 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
8. Introduction Elément clé de la LTE : utilisation de la technologie OFDMet 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. Systèmes Single Carrier 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. Système MC : OFDM 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. 10
11. OFDM : Avantages 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 : Inconvénients 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). [*] PAPR ( Peak-to-Average Power Ratio). 12
13. LTE OFDMA 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 - 13
14. LTE OFDMA 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. LTE OFDMA La division des sous-porteuses en PRBs permet de compartimenter les données à travers des numéros standards de sous-porteuses. PRBs couvrentun 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. 15
16. LTE OFDMA 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. LTE OFDMA 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 : 1eret 4ème symboles OFDM, Notons que les symboles de référence sont transmis chaque six sous-porteuses. 17
18. SC-FDMA 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. SC-FDMA 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. SC-FDMA 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. SC-FDMA 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 linklevel performances et la même efficacité spectrale. 21
22. SC-FDMA 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. SC-FDMA 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. SC-FDMA 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
26. MIMO / MRC 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. MRC 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
29. MRC 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
32. LTE MIMO 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. LTE MIMO 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. LTE MIMO Résultats : 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. LTE: Schémas Duplex 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. LTE: Schémas Duplex 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. LTE: Schémas Duplex 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. LTE: Schémas Duplex 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. LTE: Structure de Trame 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. LTE: Structure de Trame 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. LTE: Structure de Trame 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. LTE: Structure de Trame Structure de trame LTE Type 2 (TDD) Les sous-trames peuvent être divisées en sous-trames de types sous-trames spéciales. 43
44. LTE: Structure de Trame 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 - GuardPeriod 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. 44
45. LTE: Structure de Trame 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 - GuardPeriod 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. LTE: Les canaux 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. LTE: Les canaux NAS Non Access Stratum: communication avec la MME dans le CN LTE - gestion de la mobilité de gestion de session. LTE MAC fournit le transfert de données et les services de mapping . 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: Packet Data Convergence Protocol (PDCP): IP header compression - Réduire le nombre de bits à transmettre.Basé sur Robust Header Compression ROHC Radio Link Control (RLC)Segmentation / concaténation - La retransmission Medium Access Control (MAC)Uplink / downlinkscheduling - Hybrid-ARQ retransmissionsChoix de la modulation – assignement de Ressource NAS Layer 3 Layer 2 Layer 1 Layer 1 :La couche physique (PHY)Codage / décodage - Modulation / Démodulation le mapping des ressources MAC in the LTE Protocol Stack 48
49. LTE: Les canaux Protocol architecture: RRC Layer 3 PDCP Layer 2 RLC Canaux logiques MAC Canaux de Transport Layer 1 PHY Canaux Physiques Transceiver 49
50. LTE: Canaux Physiques Downlink: PhysicalBroadcast 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. PhysicalHybrid 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. Uplink: Physical Uplink Control Channel (PUCCH) : Envoie des accusés ARQ. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : Ce canal est l’analogue du canal PDSCH en Uplink. PhysicalRandom Access Channel (PRACH) utilisé pour les fonctions d'accès aléatoire (Random Access). LTE: Canaux Physiques 51
52. Downlink: 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. LTE: Canaux de transport 52
53. Uplink: 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. LTE: Canaux de transport 53
54. Canaux de Contrôle : 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. LTE: Canaux logiques 54
55. Canaux de Trafic : DedicatedTraffic 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. LTE: Canaux logiques 55
56. LTE: Overview 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. LTE: Spectre et bandes de fréquences 58
59. Il y a plusieurs allocations TDD qui sont en cours de préparation pour l’utilisation en LTE TDD. LTE: Spectre et bandes de fréquences 59
61. LTE: Architecture SAE LTE = Long Term Evolution (aussiconnusous le nom de eUTRAN) SAE = System Architecture Evolution (ce qui définit EPC) EPC = Evolved PacketCore EPS = Evolved Packet System qui inclut EPC, LTE et les terminaux 61
62. LTE: Architecture SAE Architecture EPS (LTE/SAE) L’architecture EPS est constitué d’un EPC (PacketCore 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, sécurité, mobilité et la gestion des terminaux) Le Réseau d’accès radio assure toutes les fonctions relatives à l’interface radio EPS 62
63. LTE: Architecture SAE UTRAN/ e-UTRAN UMTS LTE Suppression de l’entité RNC de l’UMTS La majorité des fonctionalités RNC sontmaintenantassurées par les eNodeB eNodeB directement connectées entre elles et avec le réseau cœur EPC 63
64. LTE: Architecture SAE 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. LTE: Architecture SAE Architecture SAE : EPC Mobility Management Entity Entité de gestion de mobilité, c’est le nœud principal de contrôle du réseau d'accès LTE SAE Home Subscriber Server, la base de données des abonnées 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 plan de données au sein de la LTE SAE Policy and ChargingRulesFunctionl'entité qui détecte les flux de service, applique la politique de tarification 65
73. Conclusion Dans cette présentation, on a essayé de décrire l’architecture du système et les objectives de la technologie de réseau d’accès « nextgeneration » 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
74. Références 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.
