LTE Presentation [French]
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Présentation de la technologie LTE

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  • 1. Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux NORME CONDIDATE POUR LA STANDARISATION 4G LTE ADVANCEDProposé par: M. MOUSSAOUIRéalisé par: Anas BENNANI Anouar LOUKILI Assia MOUNIR Hasnae GUENNOUNI Yasser KHAMILICHI
  • 2. Introduction3G 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 SAEConclusion 2
  • 3. Avec des services tels que WiMAXoffrant de très hauts débits, le travaillesur le développement d’une nouvellegénération de technologie cellulaire acommencé.Mise à niveau de la technologiecellulaire 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 decommunications cellulaires d’aller delavant pour répondre aux besoins enmatière de technologie cellulaire à2017 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 nest pasencore un plein standard 4G, (en réalité nombreuses sont les similitudes avec les technologiescellulaires pronostiquées pour la 4G).La 3G LTE apportera des améliorations significatives en performance sur lesnormes 3G existantes.De nombreux opérateurs nont pas encore mis à niveau leurs réseaux 3G de base,et la LTE est considérée comme la prochaine étape logique pour beaucoupd‘entre eux, car cela évitera de fournir plusieurs stades de mises à niveau.Lutilisation de la LTE fournira également les capacités de données qui serontnécessaires pendant plusieurs années à venir et jusquà ce que le lancementcomplet des normes de la 4G connues sous le nom de LTE Advanced. 4
  • 5. WCDMA HSPA HSPA+ LTE (UMTS) HSDPA / HSUPAMax 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 8Approx 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 etdes régimes daccès associés. OFDM est utilisée dans un certain nombre dautres systèmes : WLAN, WiMAX Technologies de broadcast (DVB, DAB, …). OFDM présente de nombreux avantages.Compte tenu de ses avantages, lutilisation de l’OFDM et destechnologies daccès associés, OFDMA/SC-FDMA sont deschoix naturels pour la nouvelle norme cellulaire LTE. 8
  • 9. Problèmes des systèmes Single Carrière: Multi-trajets Domaine temporel : IES Domaine fréquentiel : Distorsion spectreSolution: Egalisation Inversion du canal Egalisateur Rake (Systèmes CDMA)Dans les deux cas, limplémentation d’égaliseur canal devientde plus en plus complexe avec laugmentation des débits . 9
  • 10. Systèmes OFDM subdivisent la BP en plusieurs sous-porteuses étroites ettransmettent les données en flux parallèles. Chaque sous-porteuse est modulée à laide de niveauxvariables de modulation QAM, i.e. QPSK, QAM, 64 QAM.Chaque symbole OFDM est une combinaison linéaire dessignaux instantanés sur chacune des sous-porteuses dans lecanal. 10
  • 11. Deux aspects remarquables de lOFDM: Chaque symbole OFDM est précédé dun préfixe cyclique (CP), => éliminer efficacement lIES. 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 nest 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 sousporteuses présentant un espacement de 15 kHz. Au sein du signal OFDM, il est possible de choisir entre troistypes 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, (PhysicalResource Blocks).Les PRBs ont chacun une dimension temps et fréquence.La Répartition des PRBs est géré par une fonction de planification à lastation 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 20Nombre de PRBs 6 15 25 50 75 100 15
  • 16. Le signal en downlink se compose de NBW sous-porteusespour une durée de Nsymb symboles OFDM ce qui peut êtrereprésentée par une grille de ressources.Chaque case de la grille représente une sous-porteuse unique pour une période de symbole et estdésignée par « Resource Element ».Notez que dans les applications MIMO, il y a une grille de ressources pour chaque antennedémission. 16
  • 17. Pour faciliter : estimation offset de la porteuse, estimation du canal, synchronisation, ...LTE intègre des signaux spécifiquesde 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 techniquedaccès. Bien qu’on utilise encore une forme de technologieOFDMA, limplémentation est appelé Single CarrierFrequency Division Multiple Access (SC-FDMA).Sans surprise, la consommation dénergie est uneconsidération clé pour les UE. Le PAPR élevé et la perte enefficacité associés à lOFDM sont des préoccupationsmajeures.La SC-FDMA est bien adaptée aux exigences de la LTE enuplink. 18
  • 19. La SC-FDMA offre des performances et une complexité globale similaire àl’OFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage fréquentiel a uneseule porteuse.La chaine de transmission du SC-FDMA est la suivante : La transposition du signal sur les sous-porteuse détermine, par l’insertion d’unnombre adéquat de zéros, quelle partie du spectre est utilisée pour latransmission. Deux modes de transmission sont alors possibles : le mode localiseet 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 consécutivesLe 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-FDMALe transmetteur convertit le signal d’entrée binaire en une suite de symboles complexesmodules, regroupes en un bloc de M symbolesUne DFT a M points permet ensuite d’obtenir une représentation fréquentielle des symboles d’entréeChacune des M sorties de la DFT est transposée sur une des N sous-porteuses orthogonalesEnfin, 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 surplusieurs 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 côtéUE pour renforcer la robustesse du lien et augmenter les débits pour latransmission downlink LTE.La Maximal Ratio Combining (MRC) est utilisée pour accroître la fiabilité dulien dans des conditions de propagation difficiles (signal faible, multi-trajets). La MIMO est une technique apparentée qui est utilisé pour augmenter lestaux de données du système. 26
  • 27. Avec MRC, un signal est reçu par deux (ou plus) dantennes séparées / pairesémetteur-récepteur.Antennes physiquement séparées, et donc ont des réponses impulsionnellesdistinctes du canal.La compensation de canal est appliquée à chaque signal reçu dans le processeurbande de base avant dêtre linéairement combinés pour créer un signal compositeunique reçu.Toutefois, le bruit thermique de chaque Trx/Rx est non corrélé. Ainsi, lacombinaison 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 fréquenceAmélioration du SNRLa possibilité de sélectivité en fréquence profonde se retrouve considérablementréduiteAmélioration de la fiabilité du lien MRC naugmente 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 ducanal En LTE, les réponses impulsionnelles des canaux sont déterminées par latransmission séquentielle de signaux de référence connus de chaque antenne detransmission 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 dorigine.Exemple: LTE downlink 33
  • 34. Amélioration de la fiabilité du lien par la MRCAugmentation du rapport SNRAmélioration du taux nominal de données dusystème : Augmentation Débit 34
  • 35. Il est essentiel que tout système de communication cellulaire doitêtre capable de transmettre dans les deux directionssimultanément.Afin d’être en mesure de transmettre dans les deux sens, un UE ouune station de base doit disposer dun schéma duplex.Il existe deux formes de duplex qui sont couramment utilisés: FDD : Frequency Division Duplex TDD : Time Division Duplex. 36
  • 36. FDD : Frequency Division DuplexCaractéristiques 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 naffecte pas la capacité Nécessité d’une transmission en continue Pas d’interférence inter-slots 37
  • 37. TDD : Time Division DuplexCaractéristiques 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 lamplificateur RF de puissance de lémetteur. Pouvoir la production des interférence inter-slots 38
  • 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
  • 39. Objectifs Maintien de la synchronisation Gestion les différents types dinformations transportéesLe système 3G LTE a défini une structure detrame et de sous-trame pour lE-UTRA :linterface radio pour la 3G LTE. 40
  • 40. Les structures de trames pour la LTE diffèrententre les modes duplex TDD et FDD, car il yades exigences différentes sur la séparation desdonnées 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
  • 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
  • 42. Structure de trame LTE Type 2 (TDD) Les sous-trames peuvent être divisées en sous- trames de types sous-trames spéciales. 43
  • 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 lUE. 44
  • 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 lUE. 45
  • 45. Différents canaux sont utilisés pour séparer les différentstypes de données et leur permettent dêtre transportés àtravers le Radio Access Network dune façon ordonnée.Canaux Physiques: transportent les données utilisateur etles messages de contrôle.Canaux de Transport: fournissent les informations detransfert à la Medium Access Control (MAC) et aux couchessupérieures.Canaux Logiques: fournissent des services au niveau de lacouche MAC à lintérieur de la structure protocolaire de laLTE. 47
  • 46. 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 dinformations 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
  • 47. Protocol architecture:Layer 3 RRC PDCPLayer 2 RLC Canaux logiques MAC Canaux de TransportLayer 1 PHY Canaux Physiques Transceiver 49
  • 48. Physical Broadcast Channel (PBCH) : transporte les informations système, pourles UE, nécessaires pour accéder au réseau.Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : informer lUE sur lenombre 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 lamodulation et le mapping. Physical Downlink Control Channel (PDCCH) : transporter principalementl’ordonnancement de linformation.Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) : indiquer le statut Hybride ARQ. Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : Ce canal est utilisé pour lunicast etles fonctions de paging. Physical Multicast Channel (PMCH) : transporte les informations système à desfins de multicast.Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : fournit des informationspour permettre à lUE de décoder le PDSCH. 50
  • 49. Physical Uplink Control Channel (PUCCH) : Envoie desaccusés ARQ. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : Ce canal estl’analogue du canal PDSCH en Uplink. Physical Random Access Channel (PRACH) utilisé pour lesfonctions daccès aléatoire (Random Access). 51
  • 50. Broadcast Channel (BCH) : Ce canal de transport LTEmappe au Broadcast Control Channel (BCCH). Downlink Shared Channel (DL-SCH) : Ce canal detransport est le canal principal pour le transfert dedonnées en liaison descendante. Il est utilisé par denombreux canaux logiques. Paging Channel (PCH) : Pour transmettre le PCCH Multicast Channel (MCH) : Ce canal de transport estutilisé pour transmettre les informations MCCH afind’établir les transmissions multidiffusion. 52
  • 51. Uplink Shared Channel (UL-SCH) : Ce canal detransport est le canal principal de liaison montantepour le transfert de données. Il est utilisé par denombreux canaux logiques. Random Access Channel (RACH) : Ceci est utilisépour les conditions d’accès aléatoire. 53
  • 52. Broadcast Control Channel (BCCH) : fournit des informations système à tous lesterminaux mobiles connectés à la eNodeB. Paging Control Channel (PCCH) : utilisé pour les informations de paging lors dela recherche dune unité sur le réseau. Common Control Channel (CCCH) : utilisé pour obtenir des renseignementsd’ accès aléatoire.Multicast Control Channel (MCCH) : utilisé pour les informations nécessairespour la réception de multidiffusion. Dedicated Control Channel (DCCH) : pour le transfert des informations decontrôle spécifiques à l’utilisateur, par exemple les actions de contrôle y compris lecontrôle de puissance, handover, etc. 54
  • 53. Dedicated Traffic Channel (DTCH) : Ce canal detrafic est utilisé pour la transmission des donnéesutilisateur. Multicast Traffic Channel (MTCH) : Ce canal estutilisé pour la transmission de données multicast. 55
  • 54. Canaux logiques Canaux de transport Canaux PhysiquesDownlink Uplink 56
  • 55. Il y a un nombre croissant de bandes de fréquences qui sontsusceptibles pour une utilisation dans la LTE FDD. 58
  • 56. Il y a plusieurs allocations TDD qui sont en cours de préparation pourl’utilisation en LTE TDD. 59
  • 57. LTE = Long Term Evolution (aussi connu sous le nom de eUTRAN)SAE = System Architecture Evolution (ce qui définit EPC)EPC = Evolved Packet CoreEPS = Evolved Packet System qui inclut EPC, LTE et les terminaux 61
  • 58. 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
  • 59. UTRAN/ e-UTRAN UMTS Suppression de l’entité RNC de l’UMTS LTE La majorité des fonctionalités RNC sontmaintenant assurées par les eNodeB eNodeB directement connectées entreelles et avec le réseau cœur EPC 63
  • 60. Architecture e-UTRANArchitecture plate et simplifiée comparée à celle hiérarchique 2G/3GLa seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé à unnodeB+RNC, qui est responsable de la transmission et de la réception radioavec l’UE. 64
  • 61. Architecture SAE : EPCMobility Management Entity Home Subscriber Server, la base de données desEntité de gestion de mobilité, abonnéesc’est le nœud principal decontrôle du réseau daccèsLTE SAE Packet Data Network Gateway La passerelle PDN assure la connectivité pour lUE à des réseaux de paquets de données externes Serving Gateway, La passerelle de service SGW, est un élément Policy and Charging Rules Function lentité plan de données au sein qui détecte les flux de service, applique la de la LTE SAE politique de tarification 65
  • 62. 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
  • 63. Dans cette présentation, on a essayé de décrire l’architecture du systèmeet 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 dusystème mais encore une flexibilité en terme de spectre ajoutée à un coûtmoindre, la LTE est destinée à offrir une meilleurs expérience d’utilisateur,et générer plus de services à valeur ajoutée ainsi que des équipementsmobiles plus intéressants, devenant de cette manière encore pluscompétitive aux technologies sans fil (i.e. wi4 WiMAX), dans les dixannées avenir. 67
  • 64. 3GPP TS 23.002 V8.5.0, Network architecture (Release 8), Juin2009.3GPP 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.
  • 65. Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux