Doc4 lte workshop tun-session3_lte overview

1,081 views

Published on

Published in: Technology, Business
0 Comments
9 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
1,081
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
95
Comments
0
Likes
9
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Doc4 lte workshop tun-session3_lte overview

  1. 1. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 ITU/BDT Arab Regional Workshop onITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” LTE Technology Session 3 : LTE Overview – Design Targets and Multiple Access Technologiesand Multiple Access Technologies Speakers M. Lazhar BELHOUCHET M Hakim EBDELLIM. Hakim EBDELLI Date 27 – 29 January 2010 www.cert.nat.tn1 LTE Overview
  2. 2. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Agenda • Standardization • Motivation for LTEMotivation for LTE • LTE performance requirements • LTE challenges• LTE challenges • LTE/SAE Key Features • LTE technology basics• LTE technology basics • Air Interface Protocols www.cert.nat.tn2 LTE Overview
  3. 3. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Standardization • LTE is the latest standard in the mobile network technology  tree that previously realized the GSM/EDGE and UMTS/HSxPAp y / / network technologies that now account for over 85% of all  mobile subscribers. LTE will ensure 3GPP’s competitive edge  over other cellular technologies. • 3GPP work on the Evolution of the 3G Mobile System started  in November 2004in November 2004. • Specifications scheduled finalized by the end of December  2009. • Currently, standardization in progress in the form of Rel‐9 and  Rel‐10. www.cert.nat.tn3 LTE Overview
  4. 4. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Motivation for LTE • Need for higher data rates and greater spectral efficiency – Can be achieved with HSDPA/HSUPA/ – and/or new air interface defined by 3GPP LTE • Need for Packet Switched optimized system – Evolve UMTS towards packet only system • Need for high quality of services – Use of licensed frequencies to guarantee quality of services – Always‐on experience (reduce control plane latency significantly) R d d t i d l– Reduce round trip delay • Need for cheaper infrastructure Simplify architecture reduce number of network elements www.cert.nat.tn4 – Simplify architecture, reduce number of network elements LTE Overview
  5. 5. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE performance requirements • Data Rate: – Instantaneous downlink peak data rate of 100Mbit/s in a 20MHz p / downlink spectrum (i.e. 5 bit/s/Hz) – Instantaneous uplink peak data rate of 50Mbit/s in a 20MHz uplink  spectrum (i e 2 5 bit/s/Hz)spectrum (i.e. 2.5 bit/s/Hz)  • Cell range – 5 km ‐ optimal size– 5 km ‐ optimal size – 30km sizes with reasonable performance – up to 100 km cell sizes supported with acceptable performance • Cell capacity – up to  200 active users per cell(5 MHz) (i.e., 200 active data clients) www.cert.nat.tn5 LTE Overview
  6. 6. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE performance requirements – Cont. • Mobility  – Optimized for low mobility(0‐15km/h) but supports high speedp y( / ) pp g p • Latency  – user plane     < 5ms – control plane < 50 ms • Improved spectrum efficiency • Improved broadcasting • IP‐optimized • Scalable bandwidth of 20, 15, 10, 5, 3 and 1.4MHz • Co‐existence with legacy standards www.cert.nat.tn6 LTE Overview
  7. 7. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 The way to LTE: 3 main 3G limitations 1.The maximum bit rates still are factor of 20 and more behind the  current state of the systems like 802.11n and 802.16e/m.y / 2.The latency of user plane traffic (UMTS: >30 ms) and of resource  assignment procedures (UMTS: >100 ms) is too big to handle trafficassignment procedures (UMTS:  100 ms) is too big to handle traffic  with high bit rate variance efficiently. 3 The terminal complexity for WCDMA or MC‐CDMA systems is quite3.The terminal complexity for WCDMA or MC CDMA systems is quite  high, making equipment expensive, resulting in poor performing  implementations of receivers and inhibiting the implementation of  other performance enhancements. www.cert.nat.tn7 LTE Overview
  8. 8. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Overview – Design Targets and Multiple Access Technologies LTE CHALLENGES LTE Overview Design Targets and Multiple Access Technologies www.cert.nat.tn8 LTE Overview
  9. 9. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 What are the LTE challenges? Best price, transparent flat rate F ll I t t reduce cost per bit id hi h d t t The Users’ expectation… ..leads to the operator’s challenges Full Internet Multimedia provide high data rate provide low latency User experience will have an impact on ARPU Price per Mbyte has to be reduced to remain profitable Cost per MByte Throughput Latency HSPA LTE HSPA LTE www.cert.nat.tn9 UMTS HSPA I-HSPA LTE HSPA LTE HSPA LTE LTE Overview
  10. 10. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Comparison of Throughput and Latency  • Peak data rates around 300Mbps/80 Mbps • Low latency 10-20 ms Enhanced consumer experience: drives subscriber uptake Latency (Rountrip delay)* allow for new applications provide additional revenue streams Max. peak data rate Downlink Uplink 350 300 250 Latency (Rountrip delay) GSM/ EDGE HSPA R l6 Mbps 200 150 100 HSPAevo (Rel8) LTE Rel6 HSPA R6 Evolved HSPA (Rel. 7/8, 2x2 MIMO) LTE 2x20 MHz (2x2 MIMO) LTE 2x20 MHz (4x4 MIMO) 50 0 LTE DSL (~20-50 ms, depending on operator) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 min max ms www.cert.nat.tn10 * Server near RAN ( , p g p )
  11. 11. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Scalable BandwidthScalable Bandwidth E t i t d f b d • Scalable bandwidth of 1.4 – 20 MHz Easy to introduce on any frequency band: Frequency Refarming (Cost efficient deployment on lower frequency bands supported)q y pp ) www.cert.nat.tn11 LTE Overview
  12. 12. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Increased Spectral Efficiency • All cases assume 2‐antenna terminal reception • HSPA R7, WiMAX and LTE assume 2‐antenna BTS transmission (2x2  MIMO)  ITU contribution from1 8 2.0 Downlink ITU contribution from WiMAX Forum shows downlink 1.3 and uplink 0.8 bps/Hz/cell 1.2 1.4 1.6 1.8 /cell Uplink Reference: 0 4 0.6 0.8 1.0 bps/Hz/ Reference: - HSPA R6 and LTE R8 from 3GPP R1-071960 - HSPA R6 equalizer from 3GPP R1-063335 - HSPA R7 and WiMAX from NSN/Nokia simulations 0.0 0.2 0.4 HSPA R6 HSPA R6 + HSPA R7 WiMAX LTE R8 www.cert.nat.tn12 LTE Overview
  13. 13. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Reduced Network Complexity Flat, scalable IP based architecture Flat Architecture: 2 nodes architecture IP based Interfaces Flat, IP based architecture Access Core Control Flat networks are IM S HLR/H SS I t t MM E characterized by fewer network elements, lower latency, greater flexibility and lower operation cost Evolved Node B GateWay S SS Internet Ep www.cert.nat.tn13 LTE Overview
  14. 14. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Overview – Design Targets and Multiple Access Technologies LTE/SAE KEY FEATURES LTE Overview Design Targets and Multiple Access Technologies www.cert.nat.tn14 LTE Overview
  15. 15. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE/SAE Key Features – Overview EPS ( Evolved Packet System ) / SAE ( System Architecture Evolution ) / LTE ( Long Term Evolution ) EUTRAN ( Evolved UTRAN ) EPC ( Evolved Packet Core ) IP Network IP Network E l d N d B / PS Domain only, IP Network Evolved Node B / No RNC IP Transport Layer UL/DL resource No CS Domain IP Transport Layer QoS Aware 3GPP (GTP) or OFDMA/SC-FDMA MIMO ( beam-forming/ spatial multiplexing) HARQ scheduling QoS Aware Self Configuration IETF (MIPv6) Prepared for Non-3GPP Access HARQ Scalable bandwidth (1.4, 3, 5, 10, .. 20 MHz) www.cert.nat.tn15 LTE Overview
  16. 16. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE/SAE Key Features • Evolved NodeB – No RNC is provided anymore – The evolved Node Bs take over all radio management functionality. – This will make radio management faster and hopefully the network  architecture simplerarchitecture simpler • IP transport layer – EUTRAN exclusively uses IP as transport layery p y • UL/DL resource scheduling – In UMTS physical resources are either shared or dedicated – Evolved Node B handles all physical resource via a scheduler and  assigns them dynamically to users and channels This provides greater flexibility than the older system www.cert.nat.tn16 – This provides greater flexibility than the older system LTE Overview
  17. 17. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE/SAE Key Features – Cont. • Frequency Domain  Scheduling : Resource block Carrier bandwidth – Frequency domain  scheduling uses those  bl k th t Resource block resource blocks that are  not faded Not possible in CDMA– Not possible in CDMA  based system FrequencyTransmit on those resource blocks that are not faded www.cert.nat.tn17 LTE Overview not faded
  18. 18. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE/SAE Key Features – Cont. • HARQ  – Hybrid Automatic Retransmission  on reQuest HARQ Hybrid Automatic Repeat Request on reQuest – HARQ has already been used for  HSDPA and HSUPA.  – HARQ especially increases the  performance (delay and  throughput) for cell edge users.g p ) g – HARQ simply implements a  retransmission protocol on layer  1/2 that allows to send1/2 that allows to send  retransmitted blocks with different  coding than the 1st one.  www.cert.nat.tn18 LTE Overview
  19. 19. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE/SAE Key Features – Cont. • QoS awareness – The scheduler must handle and distinguish different quality of service g q y classes – Otherwise real time services would not be possible via EUTRAN – The system provides the possibility for differentiated service • Self configuration C tl d i ti ti– Currently under investigation – Possibility  to let Evolved Node Bs configure themselves • It will not completely substitute the manual configuration andIt will not completely substitute the manual configuration and  optimization. www.cert.nat.tn19 LTE Overview
  20. 20. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE/SAE Key Features – Cont. • Packet Switched Domain only No circuit switched domain is provided– No circuit switched domain is provided – If CS applications are required, they must be implemented  via IPvia IP • Non‐3GPP access Th EPC ill b d l t b d b 3GPP– The EPC will be prepared also to be used by non‐3GPP  access networks (e.g. LAN, WLAN, WiMAX, etc.) This will provide true convergence of different packet radio– This will provide true convergence of different packet radio  access system www.cert.nat.tn20 LTE Overview
  21. 21. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE/SAE Key Features – Cont. • MIMO  Multiple Input Multiple Output– Multiple Input Multiple Output  – LTE will support MIMO as an option,  It describes the possibility to have multiple transmitter and– It describes the possibility to have multiple transmitter and  receiver antennas in a system.  – Up to four antennas can be used by a single LTE cell (gain:– Up to four antennas can be used by a single LTE cell (gain:  spatial multiplexing)  – MIMO is considered to be the core technology to increaseMIMO is considered to be the core technology to  increase  spectral efficiency. www.cert.nat.tn21 LTE Overview
  22. 22. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Overview – Design Targets and Multiple Access Technologies LTE TECHNOLOGY BASICS LTE Overview Design Targets and Multiple Access Technologies www.cert.nat.tn22 LTE Overview
  23. 23. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE key parameters Frequency Range UMTS FDD bands and UMTS TDD bands Channel b d id hbandwidth,  1 Resource Block=180 kHz 1.4 MHz  3 MHz  5 MHz  10 MHz  15 MHz 20 MHz 6 RB 15 RB 25 RB 50 RB 75 RB 100 RB6 RB 15 RB 25 RB 50 RB 75 RB 100 RB Modulation Schemes DL: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) UL: SC‐FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) Multiple Access DL: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)Multiple Access DL: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) UL: SC‐FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) MIMO technology DL: Wide choice of MIMO configuration options for transmit diversity, spatial  multiplexing, and cyclic delay diversity (max. 4 antennas at base station and handset) UL M lti ll b ti MIMOUL: Multi user collaborative MIMO Peak Data Rate DL: 150 Mbps (UE category 4, 2x2 MIMO, 20 MHz) 300 Mbps (UE category 5, 4x4  MIMO, 20 MHz) UL: 75 Mbps (20 MHz) www.cert.nat.tn23 p ( )
  24. 24. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Overview – Design Targets and Multiple Access Technologies OFDM/OFDMA/SC‐FDMA LTE Overview Design Targets and Multiple Access Technologies www.cert.nat.tn24 LTE Overview
  25. 25. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multi‐Carrier • LTE uses OFDM for the DL– that is, from the base station to  the terminal. OFDM meets the LTE requirement for spectrum q p flexibility and enables cost‐efficient solutions for very wide  carriers with high peak rates.  • The basic LTE downlink physical resource can be seen as a  time‐frequency grid. In the frequency domain, the spacing  b t th b i Δf i 15kH I dditi th OFDMbetween the subcarriers, Δf, is 15kHz. In addition, the OFDM  symbol duration time is 1/Δf + cyclic prefix. The cyclic prefix is  used to maintain orthogonality between the sub‐carriers evenused to maintain orthogonality between the sub carriers even  for a time‐dispersive radio channel. • One resource element carries QPSK, 16QAM or 64QAM.  www.cert.nat.tn25 Q , Q Q LTE Overview
  26. 26. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDM – Cont.  Single Carrier Transmission O th l F Di i i M lti l iOrthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM signal generation is based on Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) operation on transmitter side On receiver side an FFT operation will be used www.cert.nat.tn26 operation on transmitter side. On receiver side, an FFT operation will be used.
  27. 27. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Pulse shaping and Spectrum Th ti d i t ti• Two characteristics are  important for a Signal:  The time domain presentation – The time domain  presentation: • It helps recognize “how  long the symbol lasts on  air”   Fourier Transform – The frequency domain  presentation: • to understand the  required spectrum in  terms of bandwidth The frequency domain presentation www.cert.nat.tn27 LTE Overview q y p
  28. 28. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 The rectangular Pulse • It is one of the most simple time‐domain pulses. • It simply jumps at time t=0 to its maximum amplitude andIt simply jumps at time t=0 to its maximum amplitude and  after the pulse duration Ts just goes back to 0. mplitude Ti Frequency Domain Ts fs = 1 Ts FT a time Time Domain IFT www.cert.nat.tn28 LTE Overview
  29. 29. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Multi‐Path Propagation and Inter‐Symbol Interference www.cert.nat.tn29 LTE Overview
  30. 30. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Multi‐Path Propagation and Inter‐Symbol Interference • The cancellation of inter‐symbol interference makes more complex the  hardware design of the receivers. • In WCDMA for instance the RAKE receiver requires a huge amount of DSP  capacity. • One of the goals of future radio systems is to simplify receiver designOne of the goals of future radio systems is to simplify receiver design. • Inter‐symbol interference originating from the pulse form itself is simply  avoided by starting the next pulse only after the previous one finished  l l h f d d d ( ) f h lcompletely, therefore introducing a Guard Period (Tg) after the Pulse. • There is no inter‐symbol interference between symbols as long as the  multi‐path delay spread (e.g. delay difference between first and last p y p ( g y detectable path) is less than the guard period duration Tg. www.cert.nat.tn30 LTE Overview
  31. 31. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Multi-Path Propagation and the Guard Periodp g 2 TSYMBOL Time Domain 1 3 T timeT Tg 1 Guard Period (GP) time ti TSYMBOL T 2 Guard Period (GP) timeTSYMBOL 3 Guard Period (GP) www.cert.nat.tn31 time LTE Overview
  32. 32. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Multi-Path Propagation and the Guard Period 1 2 3 44 TSYM Tg 1 when the delay spread of the time 2 p multi-path environment is greater than the time 3 guard period duration (Tg), then we encounter time time 4 inter-symbol interference (ISI) www.cert.nat.tn32 time LTE Overview
  33. 33. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Reuse of the Guard Period • There is the possibility to use the lost transmission time during the Guard Period  by repeating part of the symbol during this period. h h d b f ll h d d h h b h f h f ll• This is achieved by filling the guard period with either one or both of the following  two solutions: Cyclic Prefic (CP) and Cyclic Sufix (CS). • CP: The cyclic prefix is filling the final part of the guard period. It simply consists of  the last part of the following symbol. Cyclic prefixes are used by all modern OFDM  systems and their sizes range from 1/4 to 1/32 of a symbol period. • CS: The cyclic suffix fills the initial part of the guard period and it is simply  occupied by the beginning part of the previous symbol.  www.cert.nat.tn33 LTE Overview
  34. 34. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Cyclic Prefix l h• In multi‐path propagation  environments the delayed  versions of the signal arrive with  a time offset, so that the start of  the symbol of the earliest path  falls in the cyclic prefixes of the y p delayed symbols. • As the CP is simply a repetition of  the end of the symbol this is not athe end of the symbol this is not a  inter‐symbol interference and can  be easily compensated by the  f ll i d di b dfollowing decoding based on  discrete Fourier transform.  www.cert.nat.tn34 LTE Overview
  35. 35. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Limitations of the Single‐Carrier Modulation • Using a single radio frequency carrier with rectangular pulse shaping has  a major drawback:  • The cyclic prefix duration is fixed by the maximum expected delay spread over the multi‐path  propagation models for the systempropagation models for the system. • The symbol duration can be made as small as the cyclic prefix size, but then only one half of  th ti i d f d t t i i th th h lf i f th li fi idi CPTdelay =max the time is used for data transmission, the other half is for the cyclic prefix, providing a very  low efficiency (E) • Also shorter symbol duration mean a broader spectrum bandwidth (f ) to be used for a CPSYMBOL SYMBOL TT T E + = • Also shorter symbol duration mean a broader spectrum bandwidth (fS) to be used for a  carrier. • To increase efficiency the symbol duration must be made longer but then the symbol rate is CPSYMBOLS S TTT f + == 11 • To increase efficiency the symbol duration must be made longer, but then the symbol rate is  reduced. www.cert.nat.tn35 LTE Overview
  36. 36. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Multi-Carrier Modulation Subcarriers Guard Bands Multi Carrier Modulation Guard Bands frequency 011 001 011 100 101 001 011 101 Slow Data Serial-to-Parallel ConverterFast Data 011001011100101001011101 www.cert.nat.tn36 LTE Overview
  37. 37. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Multi-Carrier Modulation –Cont. The center frequencies must be spaced so that interference between different  carriers, known as Adjacent Carrier Interference ACI, is minimized; but not too much  spaced as the total bandwidth will be wasted. Each carrier uses an upper and lower guard band to protect itself from its adjacent  carriers. Nevertheless, there will always be some interference between the adjacent  carriers. ∆fsubcarrier ∆f b d∆fsub-used f0 f1 f2 f3 fN ACI = Adjacent Carrier Interference www.cert.nat.tn37 ACI Adjacent Carrier Interference LTE Overview
  38. 38. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multi‐Carrier h l l h• For the rectangular pulse there is  a better option possible and it is  even easier to implement. Single carrier • We must just notice that the  spectrum of a rectangular pulses  shows null points exactly atshows null points exactly at  integer multiples of the  frequency given by the symbol  durationduration. • The only exception is the center  frequency (peak power)  fs fs fs fs fs fsfs fs fs fs fs fs f/fs www.cert.nat.tn38 LTE Overview
  39. 39. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multi‐Carrier Th OFDM i l l h i l i h fi ll i f hThus OFDM simply places the next carrier exactly in the first null point of the  previous one.  With this we don’t need any pulse‐shaping. B OFDM i i hBetween OFDM carriers using the  same symbol duration Ts,  no guard bands are required. fs Orthogonal Subcarriers: it means that at the subcarriers centerfs subcarriers center frequencies, there is no Adjacent Carrier Interefence (ACI) Two carriers ( ) f/fs www.cert.nat.tn39 LTE Overview
  40. 40. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Spectrum Overlapping of multiple OFDM carriers 2101 1 −=+=+= nnfnfff KK .2,1,0,100 −=+=+= n T nfnfff s sn f0 f1 f2 f3 f4 www.cert.nat.tn40 No ACI (Adjacent Carrier Interference) LTE Overview
  41. 41. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multi‐Carrier OFDM allows a tight packing of small carrier ‐ called the subcarriers into a given frequency band.  nsity sity PowerDen owerDens Saved Bandwidth P Po Frequency (f/fs) Frequency (f/fs) www.cert.nat.tn41 LTE Overview
  42. 42. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 The OFDM Signal  www.cert.nat.tn42 LTE Overview
  43. 43. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDM and Multiple Access  • Up to here we have only discussed simple point‐to‐ point or broadcast OFDM.point or broadcast OFDM. • Now we have to analyze how to handle access of  multiple users simultaneously to the system eachmultiple users simultaneously to the system, each  one using OFDM. OFDM b bi d ith l diff t• OFDM can be combined with several different  methods to handle multi‐user systems: l– Plain OFDM – Time Division Multiple Access via OFDM www.cert.nat.tn43 – Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA     LTE Overview
  44. 44. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Plain OFDM • Plain OFDM: Normal OFDM  has no built‐in multiple‐ access mechanismaccess mechanism. • This is suitable for broadcast• This is suitable for broadcast  systems like DVB‐T/H which  transmit only broadcast and y multicast signals and do not  really need an uplink  feedback channel (although  such systems exist too).  www.cert.nat.tn44 LTE Overview
  45. 45. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Time Division Multiple Access via OFDM  i i i i l i l iTime Division Multiple Access via  OFDM: The simplest model to implement  multiple access handling is by putting a  ti lti l i t f OFDMtime multiplexing on top of OFDM. The disadvantage of this simple  mechanism is, that every user gets the  t f it ( b i )same amount of capacity (subcarriers)  and it is thus rather difficult to  implement flexible (high and low) bit rate  servicesservices. Furthermore it is nearly impossible to  handle highly variable traffic (e.g. web  t ffi ) ffi i tl ith t t htraffic) efficiently without too much  higher layer signaling and the resulting  delay and signaling overhead.  www.cert.nat.tn45 LTE Overview 1 2 3UE 1 UE 2 UE 3 common info
  46. 46. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA h b i id i i b iThe basic idea is to assign subcarriers to  users based on their bit rate services.  With this approach it is quite easy to  h dl hi h d l bit t Orthogonal Frequency Multiple Access OFDMA time handle high and low bit rate users  simultaneously in a single system. But still it is difficult to run highly variable  traffic efficiently 1 1 2 ... ...1 2 traffic efficiently. The solution to this problem is to assign  to a single users so called resource  blocks or scheduling blocks 1 . . . . . ... ... 1 22 2 2 carrier 1 1 1 1 RBblocks or scheduling blocks. Such block is simply a set of some  subcarriers over some time. . . . . . . . . . . ... ...1 1 1 subc 111 33 3 3 3 RB subcarriers over some time.  A single user can then use one or more  Resource blocks.  3 ... ... ...3 33 3 3 3 3 3 33 3 3 3 3 1 2 3UE 1 UE 2 UE 3 common info www.cert.nat.tn46 LTE Overview 1 2 3UE 1 UE 2 UE 3 common info
  47. 47. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Difference between OFDM and OFDMA OFDM allocates users in time domain only OFDMA allocates users in time and frequency domainy q y www.cert.nat.tn47
  48. 48. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 SC‐FDMA • SC‐FDMA :Single Carrier Frequency Division Multiple Access • SC‐FDMA is a new hybrid modulation scheme that cleverly combines the  low PAR of single‐carrier systems with the multipath resistance and  flexible subcarrier frequency allocation offered by OFDM. • SC‐FDMA solves this problem by grouping together the resource blocks inSC FDMA solves this problem by grouping together the resource blocks in  such a way that reduces the need for linearity, and so power consumption,  in the power amplifier. A low PAPR also improves coverage and the cell‐ edge performanceedge performance. • SC‐FDMA signal processing has some similarities with OFDMA signal  processing, so parameterization of DL and UL can be harmonized. • SC‐FDMA is one option in WiMAX (802.16d) and it is the method selected  for LTE in the uplink direction. www.cert.nat.tn48 LTE Overview
  49. 49. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Comparaison of CCDF of PAPR for IFDMA, LFDMA and OFDMA (a) :QPSK (b) :16QAM localized mode (LFDMA) is used in LTE IFDMA = “Interleaved FDMA” = Distributed SC-FDMA www.cert.nat.tn49 IFDMA = Interleaved FDMA = Distributed SC-FDMA LFDMA = “Localized FDMA” = Localized SC-FDMA
  50. 50. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 How does a SC‐FDMA signal look like? • Similar to OFDM signal, but… – in OFDMA, each sub‐carrier only carries information related to one specific y p symbol, – in SC‐FDMA, each sub‐carrier contains information of ALL transmitted  symbols.y www.cert.nat.tn50
  51. 51. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Comparing OFDMA & SC‐FDMA www.cert.nat.tn51 LTE Overview
  52. 52. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE downlink : conventional OFDMA • LTE provides QPSK, 16QAM,  64QAM as downlink  modulation schemesmodulation schemes • Cyclic prefix is used as guard  interval differentinterval, different  configurations possible: – Normal cyclic prefix with 5.2 µs  15 kHz (first symbol) / 4.7 µs (other  symbols) – Extended cyclic prefix with 16 7 µsExtended cyclic prefix with 16.7 µs • 15 kHz subcarrier spacing • Scalable bandwidth f0 f1 f2 f3 f4 www.cert.nat.tn52 Scalable bandwidth
  53. 53. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDMA time‐frequency multiplexing *TTI = transmission time interval ** For normal cyclic prefix duration www.cert.nat.tn53
  54. 54. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 spectrum flexibility • LTE physical layer supports  any bandwidth from 1.4  MHz to 20 MHz in steps ofMHz to 20 MHz in steps of  180 kHz (resource block) • Current LTE specificationCurrent LTE specification  supports a subset of 6  different system  Channel BW bandwidths • All UEs must support the  Channel BW [MHz] 1.4 3 5 10 15 20 Number of RBs 6 15 25 50 75 100 maximum bandwidth of 20  MHz www.cert.nat.tn54
  55. 55. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Bandwidth Scalability S l bl b d idth 1 4 20 MH i diff t b f b iScalable bandwidth 1.4 – 20 MHz using different number of subcarriers  Large bandwidth provides high data rates Small bandwidth allows simpler  spectrum reframing, e.g. 450 MHz and 900 MHz 1.4 MHz Bandwidth Narrow Spectrum Reframing 3.0 MHz 5 MHz5 MHz 10 MHz High Data Rates 15 MHz 20 MHz www.cert.nat.tn55 LTE Overview
  56. 56. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Frame Structure • LTE frames are 10 msec in duration. They are  di id d i t 10 bf h bfdivided into 10 subframes, each subframe  being 1.0 msec long. Each subframe is further  divided into two slots, each of 0.5 msec  duration. Slots consist of either 6 or 7 ODFM  symbols, depending on whether the normal or  extended cyclic prefix is employedextended cyclic prefix is employed www.cert.nat.tn56 LTE Overview
  57. 57. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Slot • The LTE Slot carries: b l h h l f– 7 symbols with short cyclic prefix  – 6 symbols with long prefix www.cert.nat.tn57 LTE Overview
  58. 58. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 OFDM Resource Block for LTE/EUTRAN b b l• EUTRAN combines OFDM symbols in  so called resource blocks RB.  • A single resource block is always 12 g y consecutive subcarriers during one  subframe (2 slots, 1 ms): 12 subcarriers * 15 kHz= 180 kHz– 12 subcarriers   15 kHz= 180 kHz • It is the task of the scheduler to assign  resource blocks to physical channels  belonging to different users or for  general system tasks.  • A single cell must have at least 6 g resource blocks (72 subcarriers) and  up to 110 are possible (1320  subcarriers) www.cert.nat.tn58 subcarriers).  LTE Overview
  59. 59. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE DL frame structure type 1 (FDD), DL # 00 # 01 # 02 # 03 # 04 # 05 # 06 # 07 # 08 # 09 # 10 # 11 # 12 # 13 # 14 # 15 # 16 # 17 # 18 # 19 1 slot = 0.5 ms 1 subframe = 1 ms1 subframe = 1 ms www.cert.nat.tn59
  60. 60. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE DL frame structure type 2 (TDD) # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 1 slot = 0.5 ms 1 subframe = 1 ms 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Special subframes containing: DwPTS: downlink pilot time slot UpPTS: uplink pilot time slotUpPTS: uplink pilot time slot GP: guard period for TDD operation Possible UL-DL configurationsg UL‐DL config Subframe number 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 D S U U U D S U U U 2 D S U D D D S U D D 3 D S U U U D D D D D 4 D S U U D D D D D D 5 D S U D D D D D D D 6 D S U U U D S U U D www.cert.nat.tn60 6 D S U U U D S U U D
  61. 61. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Modulation Schemes for LTE/EUTRAN h b l h• Each OFDM symbol even within a resource  block can have a different modulation  scheme.  b0 b1b2b3 16QAM b b QPSK • EUTRAN defines the following options:   QPSK, 16QAM, 64QAM. • Not every physical channel will be allowed to Im Re 1111 b0 b1 Im Re10 11 00 01 • Not every physical channel will be allowed to  use any modulation scheme: Control  channels to be using mainly QPSK.  0000 64QAM b b b b b b 1000 • In general it is the scheduler that decides  which form to use depending on carrier  quality feedback information from the UE. Im b0 b1b2b3 b4 b5 q y Re www.cert.nat.tn61 LTE Overview
  62. 62. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Overview – Design Targets and Multiple Access Technologies MIMO LTE Overview Design Targets and Multiple Access Technologies www.cert.nat.tn62 LTE Overview
  63. 63. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Multiple Antenna Techniques • MIMO employs multiple transmit and receive antennas to substantially  enhance the air interface. • It uses space‐time coding of the same data stream mapped onto multiple  transmit antennas, which is an improvement over traditional reception  diversity schemes where only a single transmit antenna is deployed to y y g p y extend the coverage of the cell.  • MIMO processing also exploits spatial multiplexing, allowing different data  streams to be transmitted simultaneously from the different transmitstreams to be transmitted simultaneously from the different transmit  antennas, to increase the end‐user data rate and cell capacity. • In addition, when knowledge of the radio channel is available at the  transmitter (e.g. via feedback information from the receiver), MIMO can  also implement beam‐forming to further increase available data rates and  spectrum efficiency www.cert.nat.tn63 p y LTE Overview
  64. 64. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Advanced Antenna Techniques • Single data stream / user • Beam forming• Beam‐forming – Coverage, longer battery life • Spatial Division Multiple AccessSpatial Division Multiple Access  (SDMA) – Multiple users in same radio resource • Multiple data stream / user Diversity – Link robustness • Spatial multiplexing – Spectral efficiency, high data rate support www.cert.nat.tn64 LTE Overview
  65. 65. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 MIMO – Beamforming • Enhances signal reception  through directional array gain,  while individual antenna haswhile individual antenna has  omni‐directional gain • Extends cell coverageExtends cell coverage • Suppresses interference in  space domainp • Enhances system capacity • Prolongs battery lifeProlongs battery life • Provides angular information for  user tracking www.cert.nat.tn65 g LTE Overview
  66. 66. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE Overview – Design Targets and Multiple Access Technologies AIR INTERFACE PROTOCOLS LTE Overview Design Targets and Multiple Access Technologies www.cert.nat.tn66 LTE Overview
  67. 67. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Radio Protocols Architecture • It is quite similar to the WCDMA protocol  t k f UMTSstack of UMTS. • The protocol stack defines three layers: • the physical layer (layer 1) d li k d l (l 2)• data link and access layer (layer 2)  • layer 3 (hosting the AS, the NAS control y ( g , protocols as well and the application level) www.cert.nat.tn67 LTE Overview
  68. 68. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Radio Protocol architecture‐ User plane eNBUE PDCPPDCP Header compression (ROHC) In‐sequence delivery of upper layer PDUs MAC RLC MAC PDCPPDCP RLC In sequence delivery of upper layer PDUs Duplicate elimination of lower layer SDUs Ciphering for user/control plane Integrity protection for control plane PHYPHY Timer based discard… AM, UM, TM ARQ (Re‐)segmentation Concatenation In‐sequence delivery Duplicate detection Mapping between logical and transport channels (De)‐Multiplexing Scheduling information reporting Duplicate detection SDU discard Re‐establishment… Scheduling information reporting HARQ Priority handling Transport format selection… www.cert.nat.tn68 LTE Overview
  69. 69. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Control‐plane protocol stack Broadcast / Paging RRC connection setup Radio Bearer Control Mobility functions UE measurement control… EPS bearer management Authentication ECM IDLE mobility handlingECM_IDLE mobility handling Paging origination in ECM_IDLE Security control… www.cert.nat.tn69
  70. 70. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Physical Layer • It provides the basic bit transmission functionality over air. • the physical layer is driven by OFDMA in the downlink and SC‐FDMA in the  uplink. • Physical channels are dynamically mapped to the available resources  (physical resource blocks and antenna ports)(physical resource blocks and antenna ports). • To higher layers the physical layer offers its data transmission functionality  via transport channels. • Like in UMTS a transport channel is a block oriented transmission service  with certain characteristics regarding bit rates, delay, collision risk and  reliability.y • in contrast to 3G WCDMA or even 2G GSM there are no dedicated  transport or physical channels anymore, as all resource mapping is  dynamically driven by the scheduler www.cert.nat.tn70 dynamically driven by the scheduler. LTE Overview
  71. 71. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Medium Access Control (MAC) • MAC is the lowest layer 2 protocol. • Its main function is to drive the transport channels. • From higher layers MAC is fed with logical channels which are in one‐to‐ one correspondence with radio bearers. • Each logical channel is given a priority and MAC has to multiplex logical• Each logical channel is given a priority and MAC has to multiplex logical  channel data onto transport channels (demultiplexing in reception) • Further functions of MAC will be collision handling and explicit UE  identification. • An important function for the performance is the HARQ functionality  which is official part of MAC and available for some transport channelwhich is official part of MAC and available for some transport channel  types. www.cert.nat.tn71 LTE Overview
  72. 72. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Radio Link Control (RLC) • There is a one to one relationship between each Radio Bearer  and each RLC instance • RLC can enhance the radio bearer with ARQ (Automatic  Retransmission on reQuest) using sequence numbered data  frames and status reports to trigger retransmission. • The second functionality of RLC is the segmentation and  reassembly that divides higher layer data or concatenates  higher layer data into data chunks suitable for transport over  transport channels which allow only a certain set of transporttransport channels which allow only a certain set of transport  block sizes. www.cert.nat.tn72 LTE Overview
  73. 73. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Layer 3 Radio Protocols • PDCP (Packet Data Convergence Protocol) – Each radio bearer also uses one PDCP instance. – PDCP is responsible for header compression (ROHC: RObust Header Compression; RFC  3095) and ciphering/deciphering.  – Obviously header compression makes sense for IP datagram's, but not for  signaling.  Thus the PDCP entities for signaling radio bearers will usually do ciphering/decipheringThus the PDCP entities for signaling radio bearers will usually do ciphering/deciphering  only. • RRC (Radio Resource Control) h f l l f– RRC is the access stratum specific control protocol for EUTRAN. – It will provide the required messages for channel management, measurement control  and reporting, etc.  l• NAS Protocols – The NAS protocol is running between UE and MME and thus must be transparently  transferred via EUTRAN. www.cert.nat.tn73 – It sits on top of RRC, which provides the required carrier messages for NAS transfer LTE Overview
  74. 74. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Layer 1/2 Radio Protocols – Summary www.cert.nat.tn74
  75. 75. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 RRC Protocol www.cert.nat.tn75 LTE Overview
  76. 76. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE MBMS Concept • MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services) is an essential requirement for  LTE. The so‐called E‐MBMS will therefore be an integral part of LTE. b f d l ll• In LTE, MBMS transmissions may be performed as single‐cell transmission or as  multi‐cell transmission. In case of multi‐cell transmission the cells and content are  synchronized to enable for the terminal to soft‐combine the energy from multiple  t i itransmissions.  • The superimposed signal looks like multipath to the terminal. This concept is also  known as Single Frequency Network (SFN).  • The E‐UTRAN can configure which cells are part of an SFN for transmission of an  MBMS service. The MBMS traffic can share the same carrier with the unicast traffic  or be sent on a separate carrier.  • For MBMS traffic, an extended cyclic prefix is provided. In case of subframes carrying MBMS SFN data, specific reference signals are used. MBMS data is carried  on the MBMS traffic channel (MTCH) as logical channel. www.cert.nat.tn76 LTE Overview
  77. 77. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 LTE vs WiMAX − Both are designed to move data rather than voice and both are IP networks based  on OFDM technology. b d d d ( ) d l k h h l ff− WiMax is based on a IEEE standard (802.16), and like that other popular IEEE effort,  Wi‐Fi, it’s an open standard that was debated by a large community of engineers  before getting ratified. The level of openness means WiMax equipment is standard  d th f h t band therefore cheaper to buy.  − As for speeds, LTE will is faster than the current generation of WiMax. − However, LTE will take time to roll out, with deployments reaching mass adoption  by 2012 . WiMax is out now, and more networks should be available later this year.  − The crucial difference is that, unlike WiMAX, which requires a new network to be  built, LTE runs on an evolution of the existing UMTS infrastructure already used by  over 80 per cent of mobile subscribers globally. This means that even though  development and deployment of the LTE standard may lag Mobile WiMAX, it has a  crucial incumbent advantage. www.cert.nat.tn77 LTE Overview
  78. 78. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Summary • The 3GPP Long Term Evolution (LTE) represents a major  advance in cellular technology. gy • LTE is designed to meet carrier needs for high‐speed data and  media transport as well as high‐capacity voice support well  into the next decade.  • LTE is well positioned to meet the requirements of next‐ generation mobile networks. It will enable operators to offer  high performance, mass‐market mobile broadband services,  through a combination of high bit rates and systemthrough a combination of high bit‐rates and system  throughput – in both the uplink and downlink – with low  latency. www.cert.nat.tn78 y LTE Overview
  79. 79. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Summary– Cont. • LTE infrastructure is designed to be as simple as possible to  deploy and operate, through flexible technology that can be p y p , g gy deployed in a wide variety of frequency bands.  • LTE offers scalable bandwidths, from from 1.4 MHz up to  20MHz, together with support for both FDD paired and TDD  unpaired spectrum.  • The LTE–SAE architecture reduces the number of nodes,  supports flexible network configurations and provides a high  level of service availabilitylevel of service availability.  • Furthermore, LTE–SAE will interoperate with GSM,  WCDMA/HSPA TD‐SCDMA and CDMA www.cert.nat.tn79 WCDMA/HSPA, TD SCDMA and CDMA. LTE Overview
  80. 80. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Summary – Cont. Technologies/Features Benefits RequirementsTechnologies/Features Benefits Requirements OFDMA with CP/SC‐FDMA with CP + Equalizer simpler Scheduling time/frequency Better PAPR (SC‐FDMA)Better PAPR  (SC FDMA) ISI suppression  (CP) QPSK, 16 QAM, 64 QAM + Higher bitrates Adaptative modulationp Canaux communs + Variable traffic Better capacity ‐ Scheduling is needed TTI = 1 ms + Better response to channelTTI = 1 ms + Better response to channel variation Higher bitrates www.cert.nat.tn80 LTE Overview
  81. 81. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Summary– Cont. Technologies/Features Benefits TTI = 1 ms + Better response to channel variation Higher bitrates Flat architecture + Simpler Architecture Better latency All IP + Architecture simpler Scheduling with All IP + p Convergence g priorities is needed MIMO + Higher bitrates Bande passante flexible(1 4 20Bande passante flexible(1.4  20  MHz)  + Universal frequency reuse (1/1) + Better spectral efficiency ICIC www.cert.nat.tn81 LTE Overview
  82. 82. ITU/BDT Arab Regional Workshop on “4G Wireless Systems” – Tunisia 2010 Thank you for your AttentionThank you for your Attention www.cert.nat.tn82 LTE Overview

×