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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
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
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
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
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
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
Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux
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
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
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
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
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).
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
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
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


                                                                     15
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux
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
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
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
SISO
              MISO




                     30
       MIMO
31
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
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
Amélioration de la fiabilité du lien par la MRC
Augmentation du rapport SNR
Amélioration du taux nominal de données du
système : Augmentation Débit



                                             34
LTE Presentation [French]
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
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
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
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
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
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
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
Structure de trame LTE Type 2 (TDD)




  Les sous-trames peuvent être divisées en sous-
 trames de types sous-trames spéciales.

                                               43
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.


                                                              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.


                                                              45
LTE Presentation [French]
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
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
Protocol architecture:

Layer 3                      RRC

                            PDCP

Layer 2                      RLC
                                        Canaux logiques
                             MAC
                                        Canaux de Transport
Layer 1                      PHY
                                        Canaux Physiques
                          Transceiver
                                                              49
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
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
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
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
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
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
Canaux
           logiques




           Canaux de
           transport




            Canaux
           Physiques


Downlink               Uplink
                                56
LTE Presentation [French]
Il y a un nombre croissant de bandes de fréquences qui sont
susceptibles pour une utilisation dans la LTE FDD.




                                                                 58
Il y a plusieurs allocations TDD qui sont en cours de préparation pour
l’utilisation en LTE TDD.




                                                                             59
LTE Presentation [French]
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
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
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
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
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
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
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
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.
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LTE Presentation [French]

  • 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. 10
  • 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 - 13
  • 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 15
  • 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. 44
  • 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