cours umts hspa lte

Introduction au système cellulaire UMTS-HSPAIntroduction au concept LTE

Slide 1 David LAMUREY - 2009

Introduction au concept LTE

Sommaire

� Introduction� De la « 1G » a la « LTE »

� Architecture et spécificités de l’UMTS� Organisation fréquentielle de l’UMTS

� Organisation temporelle de l’UMTS

� Architecture de l’UMTS

� L’interface Radio de l’UMTS


� Principales caractéristiques de l’interface Radio

� Méthode d’accès de l’UMTS: le CDMA

� Notion d’étalement – désétalement (Gain d’étalement)

� Scrambling et channelization

� Les codes de channelisation (spreading codes)

� Gain d’ étalement: exemple de la voix

� Gain d’ étalement / débits utilisateurs / couverture

� Influence du trafic sur la couverture

Sommaire� UMTS et mobilite

� Notion de SHO (Soft-Handover)

� Algorithmes de SHO

� Notion d’ISHO (Inter-System Handover)

� Algorithmes d’ISHO

� Liste des Events normalisés

� Les canaux UMTS� Correspondances/Mapping des canaux


� Correspondances/Mapping des canaux

� Les canaux de transport

� Les canaux logiques

� Introduction au HDSPA� Evolution vers le HSDPA (R5)

� Comparaison UMTS (R99) - HSDPA (R5)

� HSDPA: 4 principes fondamentaux

� HSDPA: « Fast Link Adaptation »

� Canaux HSDPA

� HSDPA: Catégories de mobiles et débits max

Sommaire

� Introduction au HSUPA� Evolution vers le HSUPA (R6)� Canaux HSUPA

� Introduction au HSPA+� Principaux apports du HSPA+� Nouvelle modulation 64-QAM� Nouvelles catégories de mobiles HSPA+ 64-QAM (DL)


� Nouvelles catégories de mobiles HSPA+ 64-QAM (DL)� Nouvelles catégories de mobiles HSPA+ 16-QAM (UL)� Nouvelles catégories de mobiles HSPA+ MIMO

� Introduction au A-GPS (Assisted GPS)� Principes de base du systeme GPS� Fonctionnement de base du A-GPS� Fonctionnement de base du A-GPS (UE based mode)� Fonctionnement de base du A-GPS (Network based mode)

Introduction


Génération Acronyme Intitulé

Radiocom 2000 Radiocom 2000 France Telecom

NMT Nordic Mobile Telephone

2G GSM Global System for Mobile Communication

1G

De la « 1G » a la « LTE »

2G

1998

Jusqu’a 144kb/s

1G

1992

Analogique

Slide 6

2.5G GPRS General Packet Radio Service

2.75G EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution

3G UMTS Universal Mobile Telecommunications System

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

3.75G HSOPA High Speed OFDM Packet Access

LTE Long Term Evolution

WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

3.5G

4G�3.9G

�HSPA+

�High Speed Packet Access +

David LAMUREY - 2009

3G

2002

Jusqu’a 10Mb/s

4G

2009

Jusqu’a 100Mb/s

Architecture et spécificités de l’UMTS


de l’UMTS

Organisation fréquentielle de l’UMTS

� La bande de fréquence allouée à l’UMTS en Europe :

� En France :


� En France :

1979,71964,91950,11935,31920,5 UL

OrangeLot BByTSFR

Accès en mode FDD

2169,72154,92140,12125,32110,5 DL

Organisation temporelle de l’UMTS

� Le partage temporel: trame et supertrame� Exemple de la trame DL


BTSNode-B

BTSNode-B

Architecture de l’UMTS

U-SGSNInterface

Air

Interface Iub

Interfaces Iu-PS

CNCNRANRANRadio Access NetworkRadio Access Network

RNC GGSN

Internet

IP

Core NetworkCore Network


BTSNode-B

BTSNode-B RNC U-MSCRTCP

Iu-PS

Interface Iur

Interfaces Iu-CS GMSC

BTSNode-B

L’interface Radio de l’UMTS


l’UMTS

Principales caractéristiques de l’interface Radio

� Système à bande large� 1 canal UMTS <-> 5 Mhz (1 canal Downlink et 1 canal Uplink)

� Vitesse de Modulation: 3,84 MChips/s (1 chip = 1 symbole)

� Modulations utilisées:� En Downlink -> QPSK (1 symbole <-> 2 bits)

QPSK

BPSK


� En Uplink -> BPSK (1 symbole <-> 1 bit)

� Débit théorique max: 2 Mbps� Dans la pratique, un bearer = 384 kbps max

� Evolution: HSDPA (modulation différente: QAM16) -> débits théoriques max de l’ordre de 20 Mbps

� 2 technologies possibles: FDD et TDD

Méthode d’accès de l’UMTS: Le CDMA

� Multiplexage des canaux/utilisateurs -> CDMA (Code Division Multiple Access)

� Différences TDMA / CDMA :

Freq.

Freq.


Freq.

Time Time

TDMA System (GSM)

Time Division Multiple Access

CDMA System (UMTS)Code Division Multiple Access

Méthode d’accès de l’UMTS: Le CDMA � Scrambling Code

� En Downlink -> permet de différencier les signaux des différentes cellules

� En Uplink -> permet de différencier les signaux des différents mobiles présents dans la cellule

� Spreading Code (code d’étalement)� Permet de séparer les différents canaux (trafic et signalisation) au sein


d’une même cellule

� Chaque signal est multiplié par un spreading code de longueur variable

=> Étalement du signal sur toute la bande utile

� Gain d’étalement -> rapport entre le débit du signal étalé et le débit du signal initial

Service SF DL

Débit canal DL

(kbps) SF UL

Débit canal UL

(kbps)

Signalisation 256 30 128 30Voix AMR 12,2 kbps 128 60 64 60Data 64kbps 32 240 16 240Data 128kbps 16 480 8 480Data 384kbps 8 960 4 960

Notion d’étalement - désétalement

� Le principe d’étalement consiste à multiplier chaque bit d’un signal defréquence R par une séquence de N chips issue d’un code d’étalement. Ncorrespond au Facteur d’étalement (Spreading factor).

f

p

Fréquence: R

f

p Fréquence: N x R


� Le désétalement consiste a re-multiplier bit à bit le signal étalé avec lemême code d’étalement à N chips.

f f

f

p

Fréquence: R

f

pFréquence: N x R

Code à N chips

Code à N chips

Notion d’étalement – désétalement (2)

� Exemple d’étalement et de désétalement d’un signal avec une séquencede code à 8 chips (facteur d’étalement de 8)

Émetteur : chaque bit du signal initial est multiplié par une séquence de 8 bits (= 8 chips).

Séquence initiale de fréquence R.1

-1

Symbole

ETALEMENT

Chip

Donnéef

p


par une séquence de 8 bits (= 8 chips).Résultat : 1 nouveau signal de fréquence 8*R.

Ce signal large bande sera ensuite transmis sur l’Interface Air.

Récepteur : multiplie, bit par bit, le signal étalé par la même séquence de code.

Résultat : on retrouve le signal initial, sans aucun déphasage.

1

-1

1

-1

1

-1

1

-1Donnéé = Signal

étalé * Code

DESETALEMENT

Code d'étalement

Code d'étalement

Signal étalé =

Donnée * Codef

p

f

p


� Un signal étalé grâce un spreading code puis désétale par le mêmespreading code est « reconstitué » a l’identique au niveau du récepteur



� Une fois désétalé par le bon spreading code puis « intégré » sur chaque« temps symbole », le signal initial est parfaitement reconstitué



� Un autre signal (autre mobile) désétalé par ce spreading code puis« intégré » sur chaque « temps symbole » sera considéré comme du bruit


Gain de traitement (d’étalement)

� Principe de détection par corrélation des signaux utilisateurs au récepteur:Amplification du signal attendu (S1) par un gain de traitement (processing

gain) équivalent au facteur d’étalement.

f

p

f

pSS11

SS11 x Cx C11

p p

SS22

SS22 x Cx C22 f

p

SS11 x Cx C11 x Cx C11 = S= S11

SS22 x Cx C22 x Cx C11

CC


� Principe de réjection d’un signal interféreur: Le gain de traitement serad’autant plus important que le débit du signal sera faible, et ainsi d’autantplus robuste aux interférences.

f f

fCC11

f

p

f

p SS11 x Cx C11

f

pII

f

p

II

f

p

SS11 x Cx C11 x Cx C11 =S=S11

I x C1I x C1

CC11

Scrambling et channelization

� Traitement des données : opération d’étalement (code de channelisation) + opération de brouillage (code de scrambling).

Scrambling

code

Bits deDONNEES

Channelization

code


�Code de channelisation: intervient dans la procédure d’étalement. Il permetde différencier les émissions issues d’une même source.

�Code de scrambling : ne modifie pas la bande passante du signal (le débitreste identique). Il permet de séparer des sources distinctes.

Débit ChipsDébit BinaireR (kbps)

Débit ChipsR x SF (Mcps)SF : Speading Factor

Les codes de channelisation (spreading codes)� Codes orthogonaux et de longueurs variables (définies par le facteur

d’étalement)

� Ils sont basés sur la technique OVSF (Orthogonal Variable Spreading

Factor). L’utilisation de ces codes OVSF permet de modifier le facteur d’étalement et de maintenir l’orthogonalité. Ils sont choisis parmi un « arbre de codes »

� Propriétés

C4,1=(1, 1, 1, 1)� + séquence est courte, + débit du canal est grand, + le nbd’utilisateurs simultanés est faible.


C1,1=(1)

C2,1=(1, 1)

C2,2=(1, -1)

C4,2=(1, 1, -1, -1)

C4,3=(1, -1, 1, -1)

C4,4=(1, -1, -1, 1)

SF = 1 SF = 4SF = 2

d’utilisateurs simultanés est faible.

�Toutes séquences situées sur un même niveau hiérarchiquede l’arbre sont orthogonales (ex: C2,1 & C2,2 sontorthogonaux).

�Toutes les séquences situées sur une même branche (père /fils) ne sont pas orthogonales.� Si un utilisateur utilise C2n,k , aucun code ∈ sous-branches de C2n,k ne peut-être utilisé par un autre utilisateur.

� Connexion avec SF variable : Le désétalement s’effectueraselon le plus petit SF. Les codes utilisés lors de ce type deconnexion sont choisis parmi ceux ∈ sous-branches du codecorrespondant au plus petit SF.

Gain d’étalement: exemple de la voix� Un signal vocal est codé au débit D = 12,2 kbit/s

� Le code a un débit de 3,84 Mchips/s (=> 5 Mhz pour la BP)

� le gain est donc = 10 x log 10 (3,84 x 106 / 12,2 x 103 ) = 25 dB.

� Pour reproduire correctement un signal vocal, à la réception après désétalement, le rapport Eb / Nt doit être de l’ordre de 5 dB (critère de qualité UMTS).

� Eb est la densité de puissance par bit du signal utile et Nt est la densité de puissance perturbatrice (bruit + interférences )

=> Sur l’interface radio, le signal utile C peut donc être reçu « noyé » sous


=> Sur l’interface radio, le signal utile C peut donc être reçu « noyé » sous 20 dB dans le bruit (C/I = -20dB)

Ec

No

20 dB

PEc/No = -20dB

Eb

Nt

20 dB

PEb/Nt = 5dB

25 dB 5 dB

Gain d’étalement / débits utilisateurs / couverture

� Comparaison services voix / data 384kb/s

� Pour la voix, le gain d’étalement est d’environ 25dB.

� Pour un service data a 384kb/s, G = 10 log10 (3,84.106/12,2.103 ) = 10 dB

⇒ Sur l’interface radio, un rapport Ec/No de -20dB suffit a assurer un service voix correct tandis que -5dB sont nécessaires pour la data a 384kb/s

⇒ Plus le débit utile augmente, plus le rayon de couverture diminue


⇒ Plus le débit utile augmente, plus le rayon de couverture diminue (nécessite un rapport signal/bruit supérieur)

BTSNode-B

Zone de couverture voix

Zone de couverturedata a 128kb/sZone de couverture

data a 384kb/s

Influence du trafic sur la couverture

� Lorsque le trafic est très faible, un mobile relativement éloignédu Node-B peut avoir une qualité de service correcte

BTSNode-B BTSNode-B


� Lorsque le trafic augmente fortement, un mobile situé au même endroit peut se retrouver “hors-réseau” (ou ne plus pouvoir accéder à des services haut-debits)

BTSNode-B

BTSNode-B

BTSNode-B

UMTS et mobilité


Notion de Soft-Handover (SHO)

� GSM -> HO (ou Hard-HO)� 1 mobile n’est connecté qu’à 1 seule BTS (cellule) à la fois

� UMTS -> SHO (Soft-HO)� 1 mobile peut être connecté à plusieurs Node-B (cellules) à la fois� Dans la pratique, jusqu’à 3 ou 4 cellules max

Avantages


� Avantages� Moins de risque de coupure en frontière de cellules (passage en

« douceur »)� Gain de diversité car signal reçu de plusieurs émetteurs (meilleur

signal pris à chaque instant)

� Inconvénients� Plus consommateur en ressources (pénalisant en particulier pour les

services de données à haut débit)


� Diversité de réception ou macro-diversité� En DL, le mobile recoit le signal de 2 (au moins) Node-B et recombine

ces signaux� En UL, le mobile n’émet qu’1 seul signal, mais ce signal est recu de 2

(au moins) Node-B.=> Gain de diversité (quelques dB)


BTSNode-B BTSNode-B


� Softer HO (HO entre 2 cellules d’un même Node-B)� Recombinaison des signaux UL

dans le Node-B

BTSNode-B

RNC

Recombinaison dessignaux UL


BTSNode-B BTSNode-B

RNC

� Soft HO (HO entre 2 cellules de 2 Node-B differents)� Recombinaison des signaux UL

dans le RNC

Recombinaison des signaux UL

Notion de Soft-Handover (SHO)� Soft HO inter-RNC

� Un seul RNC « pilote » la communication (le Serving RNC). L’autre (Drift RNC) en sert que de « relai » pour la macro-diversité via l’interface Iur

RNC RNCD-RNC

(Drift RNC)S-RNC

(Serving RNC)

Iur

U-MSC

Iu


BTSNode-B BTSNode-B

� Si le mobile se déplace et sort de la couverture du S-RNC, 2 possibilités:� Le 1er RNC reste le S-RNC jusqu’a la fin de la communication� Le D-RNC est reconfiguré en S-RNC (SRNS Relocation) et le lien Iur est supprimé

Recombinaison dessignaux UL

Iub Iub

Algorithmes de SHO

� L’algorithme de SHO se base sur le niveau Ec/No du canal P-CPICH des cellules impliquées

� RSCP = Received Signal Code Power (niveau de champ du P-CPICH de la cellule mesuree)

� RSSI = Received Signal Strength Indicator (niveau de champ total recu

EcNo

RSCPRSSI


� RSSI = Received Signal Strength Indicator (niveau de champ total recu dans la bande des 5MHz)

� Active Set : liste des cellules impliquées dans le SHO

� Monitored Set : liste cellules voisines constamment mesurées par UE mais avec Ec/No trop faible pour être ajoutées à l’active set

� Detected Set : cellules mesurées par MS mais non déclarées en voisines

Algorithmes de SHO

� SHO contrôlé par 3 évènements majeurs, renvoyes par le mobile dans un message Measurement Report :

� 1A : Ajout d’une cellule du Monitored Set vers l ’Active Set

� 1B : Suppression d’une cellule de l ’Active Set

� 1C : Remplacement de la cellule la + faible de l ’Active Set par la + forte du Monitored Set


+ forte du Monitored Set

� Chaque événement est contrôlé par:

� un Seuil de déclenchement (Ec/No)

� un Timer (TTT = Time To Trigger) pendant lequel la condition doit être vérifiée

� Eventuellement un Offset (favorisation d ’une voisine par rapport à une autre)

Algorithmes de SHO

� Exemple de SHO

CPICH Ec / N0

cellule 2CPICH E / N

CPICH Ec / N0

cellule 1

Time toTrigger 1A

(160 ms)

Seuil de remplact -1C

-(2 dB)

Seuil de retrait -1B

-(5 dB)

Seuil d’ajout –1A

-(3 dB)

Time toTrigger 1C

(640 ms)

Time to Trigger1B

(160 ms)

Attention, ici taille de l’Active Set = 2 pour éviter de surcharger le schéma


Event 1B =

Suppression cellule 3

cellule 2CPICH Ec / N0

cellule 3

Connecté à cellule 1 Event 1A =

Ajout cellule 2

Event 1C =

Remplact C1 par C3

Cell1

Cell 2

Cell3

Notion d’ISHO (Inter-System Hand-Over)

� Principe: le MS bascule d’une (plusieurs) cellule(s) UMTS vers une cellule GSM (mode voix ou data) lorsque la qualité du (des) lien(s) radio se dégrade en dessous d’un certain seuil

3G 2G3G mode compressé


� Contrairement au GSM, un mobile UMTS en communication « émet » et « recoit » tout le temps -> nécessite d’utiliser le mode compressé pour mesurer les BCCH des cellules 2G voisines� Rem: certains mobiles équipés de 2 chaînes de réception (ex: Motorola)

n’ont pas besoin de passer en mode compressé

Algorithmes de l’ISHO

� Fonctionnement de l ’ISHO

� 1ère phase: le mobile passe en mode compressé (si nécessaire,

mobiles autres que Motorola)

� 2ème phase: le mobile commence par mesurer le RSSI (=RxLev) des

BCCH 2G déclarés en voisines et classe les 6 meilleurs par niveau de

champ décroissant -> envoi d ’un Measurement Report id=3

� 3ème phase: le RNC envoi un Measurement Control au mobile pour lui


� 3ème phase: le RNC envoi un Measurement Control au mobile pour lui

dire de décoder le BSIC du meilleur BCCH reçu (les autres sont

ignorés)

� 4ème phase: le mobile indique au RNC s ’il arrive ou non à décoder le

BSIC de ce BCCH et si oui, le RNC commande au mobile de réaliser

l ’ISHO vers cette cellule (message « HOFromUTRANCommand »)

Liste des Events normalisesEvent 1x : Intra-frequency eventsIntra-frequency events for FDDevent 1A A Primary CPICH enters the reporting rangeevent 1B A primary CPICH leaves the reporting rangeevent 1C A non-active primary CPICH becomes better than an active primary CPICHevent 1D Change of best cellevent 1E A Primary CPICH becomes better than an absolute thresholdevent 1F A Primary CPICH becomes worse than an absolute thresholdIntra-frequency events for TDDevent 1G Change of best cell (TDD)event 1H Timeslot ISCP below a certain threshold (TDD)event 1I Timeslot ISCP above a certain threshold (TDD)

Event 2x : Inter-frequency eventsEvent 2A Change of best frequency.Event 2B The estimated quality of the currently used frequency is below a certain threshold and the estimated quality of a non-used frequency is above a certain threshold.Event 2C The estimated quality of a non-used frequency is above a certain thresholdEvent 2D The estimated quality of the currently used frequency is below a certain thresholdEvent 2E The estimated quality of a non-used frequency is below a certain thresholdEvent 2F The estimated quality of the currently used frequency is above a certain threshold

Event 3x : Inter-RAT events


Event 3x : Inter-RAT eventsEvent 3A The estimated quality of the currently used UTRAN frequency is below a certain threshold and the estimated quality of the other system is above a certain threshold.Event 3B The estimated quality of other system is below a certain thresholdEvent 3C The estimated quality of other system is above a certain thresholdEvent 3D Change of best cell in other system

Event 4x : Traffic Volume triggersevent 4A Transport Channel Traffic Volume becomes larger than an absolute thresholdevent 4B Transport Channel Traffic Volume becomes smaller than an absolute threshold

Event 5x : Quality eventsevent 5A A predefined number of bad CRCs is exceeded

Event 6x : UE internal measurement eventsevent 6A The UE Tx power becomes larger than an absolute thresholdevent 6B The UE Tx power becomes less than an absolute thresholdevent 6C The UE Tx power reaches its minimum valueevent 6D The UE Tx power reaches its maximum valueevent 6E The UE RSSI reaches the UE's dynamic receiver rangeevent 6F The UE Rx-Tx time difference for a RL included in the active set becomes larger than an absolute thresholdevent 6F The time difference indicated by TADV becomes larger than an absolute thresholdevent 6G The UE Rx-Tx time difference for a RL included in the active set becomes less than an absolute threshold

Event 7x : UE positioning eventsEvent 7A The UE position changes more than an absolute thresholdEvent 7B SFN-SFN measurement changes more than an absolute thresholdEvent 7C GPS time and SFN time have drifted apart more than an absolute threshold

Les canaux UMTS


Correspondances / Mapping des canaux

DCCHDCCH

DTCHDTCH PCCHPCCH BCCHBCCH CTCHCTCH CCCHCCCH

DCCHDCCH

DTCHDTCH

Uplink Downlink

CCCHCCCH

RACH CPCH DCH PCH BCH FACH DSCH DCH


RACH CPCH DCH PCH BCH FACH DSCH DCH

: Canaux dédiés

: Canaux communs: Canaux logiques bi-directionnels

: Canaux logiques de trafic

: Canaux logiques de contôle

PDSCH

P-CCPCH

DPCCH

DPDCH

DPCCH

DPDCH

S-CCPCHPCPCH

PRACH

Les canaux de transport� Il existe deux type de canaux de transport:

�Les canaux dédiés (dedicated channel) : ressource identifiée par un certain code ou une certaine fréquence, réservé à un seul utilisateur. Il existe un seul canal de transport dédié.

�Les canaux communs (common channel) : ressource partagée pardifférents utilisateurs d’une même cellule. 6 types de canaux detransport communs ont été définis.

� DCH (Dedicated CHannel) : véhicule toutes les informations (données + infos de contrôle) provenant des couches hautes. UL & DL


� BCH (Broadcast Channel) :Transmet des information spécifiques auréseau d ’accès ou à une cellule donnée.� FACH (Forward Acces Channel): Véhicule des informations de contrôleaux terminaux localisés dans une cellule donnée.� PCH (Paging Channel): transport des informations nécessaire à laprocédure de Paging, au sein de la zone de localisation du mobile� RACH (Random Acces Channel): transmet des informations decontrôle provenant du terminal.� CPCH (Common Packet Channel): Extension du canal RACH, permetde transmettre des informations utilisateur par paquet issues du mobile.� DSCH (Downlink Shared Channel): Similaire au FACH (à la différencequ’il supporte le contrôle de puissance), transporte des informations utilisateurou de contrôle dédiées. Il peut être partagé par plusieurs utilisateurs.

DL

DL

DL

UL

UL

DL

Les canaux logiques

� Un ensemble de canaux logiques a été défini pour les différents types deservices offert par la couche MAC à la couche RLC.

� Chaque type de canal logique est caractérisé par le type d’information qu’iltransporte. Ces canaux sont scindés en deux groupes:

� Les canaux de contrôle (Control Channels)

� BCCH (Broadcast Control CHannel): pour la diffusion d’informations decontrôle du système.� PCCH (Paging Control CHannel): transfert les informations de la

DL

DL


� Les canaux de trafic (Traffic Channels)

� PCCH (Paging Control CHannel): transfert les informations de laprodédure de paging.

� DCCH (Dedicated Control CHannel): canal point à point qui transporteles informations de contrôle dédiées entre le terminal et le réseau.� CCCH (Common Control CHannel): canal commun qui véhicule lesinformations de contrôle entre le réseau et les terminaux.

DL

UL & DL

UL & DL

� DTCH (Dedicated Traffic CHannel): canal point à point, dédié à unterminal, servant au transport de données utilisateur.� CTCH (Common Traffic CHannel): canal point-multipoint transportantpour un groupe de terminaux des données utilisateur dédiées.

DL

UL & DL

Evolution vers le HSPA


UMTS vers HSPA puis HSPA+

WCDMAWCDMAHSDPA/

HSUPA

HSDPA/

HSUPAHSPA+HSPA+

3GPP release 3GPP Release 99/4 3GPP Release 5/6 3GPP Release 7



Deploiement sur reseaux reels

2003/042005/06 (HSDPA)2007/08 (HSUPA)

2008/2009

Downlink data rate 384 kbps (typ.) 14 Mbps (peak) 28 Mbps (peak)

Uplink data rate 128 kbps (typ.) 5.7 Mbps (peak) 11.5 Mbps (peak)

Round Trip Time ~ 150 ms < 100 ms < 50 ms

Introduction au HSDPA


Evolution vers le HSDPA (R5) � HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) permet

d’obtenir des debits DL beaucoup plus importants

Activité utilisateurs

Principale caracteristique du trafic data (par rapport au trafic voix) -> trafic intermittent


En R99 (UMTS), les mobiles utilisent des ressources dediees (non optimale pour des

services data ou le trafic est sporadique)

Est-ce mieux comme ça ?

Ou comme ceci ? En R5 (HSDPA), les mobiles utilisent une seule “grosse” ressource partagee (=> pas de

ressource perdue pendant les phases de “non-transmission”)

BTSNode-B

Comparaison UMTS (R99) – HSDPA (R5)

� Nouveau canal de transport spécifique: HS-DSCH

Lien montantLien montantUsager

Usager A

Lien DescendantLien DescendantUsager

Usager A

BTSNode-B

R99 (UMTS)


Lien montantLien montantUsager B

Lien DescendantLien DescendantUsager B

BTSNode-B

Lien montantLien montantUsager B

Usager A

Lien DescendantLien DescendantUsager

B

Usager A BTSNode-B

R5 (HSDPA)

HSDPA: 4 principes fondamentaux� Spreading and Multiplexing (Multi Code Operation)

� Les usagers sont multiplexés dans le temps (avec TTI=2ms au lieu de 10ms) et en code (spreading codes avec SF fixe =16)

Codes

TTI = 2ms

User 2

User 3


� Adaptive Modulation & Coding (AMC)

� Nouvelle modulation 16-QAM et adaptation du taux de codage et de la modulation en fonction des conditions radio (similaire à EDGE)

Temps

User 1

00

1110

01

QPSK

2 bits / symbole ∆φ1110 1100 0100 0110

1111 1101 0101 0111

1010 1000 0000 0010

1011 1001 0001 0011

16-QAM

4 bits / symbole

∆φ ∆A

HSDPA: 4 principes fondamentaux

� Fast packet scheduling & Short Frame Size (TTI=2ms)

� TTI de 2ms (au lieu de 10ms) pour réduire les délais de transmission

� Le scheduling des usagers sur la voie radio est réalisée par le Node B

� Fast L1-based Hybrid ARQ (H-ARQ)

� Retransmission sur la couche MAC située dans le Node B (Les retransmissions sont recombinées entre elles pour augmenter la qualité et le débit)


� Minimise les retransmissions sur l’Iub (retransmissions RLC)

Quelques temps de “latences” comparés

HSDPA: “Fast Link Adaptation”� Modulation et taux de codage utilises sont adaptes a chaque

TTI en fonction du C/I mesure par le mobile (CQI report)

2468

10121416

ntan

eous

EsN

o [d

B] C/I recu par le mobile

C/I variable


0 20 40 60 80 100 120 140 160-202

Time [number of TTIs]

QPSK1/4

QPSK2/4

QPSK3/4

16QAM2/4

16QAM3/4

Inst

an

Link adaptation

mode

“Link adaptation” avec qqs ms de delaisbases sur le CQI reporte par le mobile

Canaux HSDPA� 3 nouveaux canaux:

� HS-PDSCH (DL) -> données utilisateurs� SF16, modulation QPSK ou 16 QAM, pas de SHO, toujours associé a un

canal DCH

� HS-DPCCH (UL) -> acquittement des trames (H-ARQ) + CQI (Channel Quality Indicator)

� SF 128, modulation QPSK

� HS-SCCH (DL) -> mapping des trames sur le canal HS-DSCH� SF 256, modulation BPSK


BTSNode-B BTSNode-B

HSDPA: catégories de mobiles et débits max

� Débits max théoriques

Modulation

QPSK

coding rate

1/4

2/4

3/4

5 codes 10 codes 15 codes

600 kbps 1.2 Mbps 1.8 Mbps

1.2 Mbps 2.4 Mbps 3.6 Mbps


2/4 2.4 Mbps 4.8 Mbps 7.2 Mbps


� Catégories de mobiles HSDPA

16QAM 3/4

4/4



Categories Codes Inter-TTI Modulation Debits Max Categories Codes Inter-TTI Modulation Debits Max

1 5 3 QPSK/16QAM 1,2 Mbps 7 10 1 QPSK/16QAM 7,2 Mbps2 5 3 QPSK/16QAM 1,2 Mbps 8 10 1 QPSK/16QAM 7,2 Mbps3 5 2 QPSK/16QAM 1,8 Mbps 9 15 1 QPSK/16QAM 10,2 Mbps4 5 2 QPSK/16QAM 1,8 Mbps 10 15 1 QPSK/16QAM 14,4 Mbps5 5 1 QPSK/16QAM 3,6 Mbps 11 5 2 QPSK only 0,9 Mbps6 5 1 QPSK/16QAM 3,6 Mbps 12 5 1 QPSK only 1,8 Mbps

Introduction au HSUPA


Evolution vers le HSUPA (R6)

� HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) permet d’obtenir des débits UL plus importants

� Principales évolutions:� Nouveaux canaux de transport E-DCH (Enhanced DCH)

� Réduction du TTI (10 msec ou 2 msec, en fonction du type de mobile)

� Réduction du SF (jusqu’à SF=2)

� Utilisation du HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) comme en


HSDPA

� Multi-code (jusqu’à 2 canaux physiques E-DPDCH alloués)

HSUPA

category

Max nb of

HSUPA

codes

transmitted

Minimum

Spreading

Factor

Support for 10

and 2 ms HSUPA

TTI

Max nb of bits

transmitted

within a 10 ms

HSUPA TTI

Max nb of bits

transmitted

within a 2 ms

HSUPA TTI

Maximum

Bit rate

Category 1 1 SF4 10 ms TTI only 7296 - 0.73 Mbps

Category 2 2 SF4 10 ms and 2 ms TTI 14592 2919 1.46 Mbps





Canaux HSUPA� 5 nouveaux canaux:

� E-DPDCH (UL) -> données utilisateurs� E-DPCCH (UL) -> canal de controle du lien physique� E-AGCF (DL) -> Absolute Grant Channel (défini la puissance max

autorisée pour le mobile)� E-RGCF (DL) -> Relative Grant Channel (gère les « fluctuations de

puissance)� E-HICH (DL) -> Hybrid ARQ Indicator Channel

Serving E-DCHRadio Link

Non Serving E-DCHRadio Link


BTSNode-B BTSNode-B

Radio Link Radio Link

Introduction au HSPA+


UMTS vers HSPA puis HSPA+

WCDMAWCDMAHSDPA/

HSUPA

HSDPA/

HSUPAHSPA+HSPA+




Déploiement sur réseaux réels

2003/042005/06 (HSDPA)2007/08 (HSUPA)

2008/2009

Downlink data rate 384 kbps (typ.) 14 Mbps (peak) 28 Mbps (peak)

Uplink data rate 128 kbps (typ.) 5.7 Mbps (peak) 11.5 Mbps (peak)

Round Trip Time ~ 150 ms < 100 ms < 50 ms

Principaux apports du HSPA+

� Introduction de nouvelles modulations� 64 QAM pour le HSDPA, 16QAM pour le HSUPA

� Utilisation de plusieurs antennes en émission et en réception � MIMO (Multiple Input Multiple Output)

� “Continuous connectivity” pour les utilisateurs en mode paquet� Augmente le nombre d’utilisateurs simultanés par réduction des entêtes


� Augmente le nombre d’utilisateurs simultanés par réduction des entêtes Uplink

� Redémarrage plus rapide de la transmission apres une période d’inactivité

� Amélioration du support de la couche 2 (RLC/MAC) pour les débits élevés

� Nouvel état “Enhanced Cell_FACH”� HSDPA sur les canaux communs (Cell_FACH, Cell_PCH, URA_PCH)

Nouvelle modulation 64-QAM� Modulation en constellation 64-QAM

� 6 bits par symboles -> multiplie le débit binaire par 6 pour un même débit symbole sur l’interface air

� Nécessite un traitement du signal beaucoup plus performant (beaucoup + “sensible” au bruit)

i1

101111 101101 100101 100111 000111 000101 001101 001111

i3 i3 i3

i2 i2

q3

q1.08

QPSK = 4QAM

2 bits/symboles


101110 101100 100100 100110 000110 000100 001100 001110

101010 101000 100000 100010 000010 000000 001000 001010

101011 101001 100001 100011 000011 000001 001001 001011

q1

q2

q3

q3

q2

0.154 0.463 0.771 1.08

0.154

0.463

0.771

111011 111001 110001 110011 010011 010001 011001 011011

111010 111000 110000 110010 010010 010000 011000 011010

111110 111100 110100 110110 010110 010100 011100 011110

111111 111101 110101 110111 010111 010101 011101 011111

16QAM

4 bits/symboles

64QAM

6 bits/symboles

Nouvelles catégories de mobiles HSPA+ 64-QAM

HS-DSCH category

Modulation

Maximum number of HS-DSCH codes

received

Minimum inter-TTI interval

Maximum number of bits of an HS-DSCH

transport block received within an HS-DSCH TTI

Total number of soft channel bits

Theoretical max. data rate

Category 1

QPSK /

5 3 7298 19200 ~1.2Mbps

Category 2 5 3 7298 28800 ~1.2Mbps

Category 3 5 2 7298 28800 ~1.8Mbps

Category 4 5 2 7298 38400 ~1.8Mbps

Category 5 5 1 7298 57600 ~3.6Mbps


QPSK /

16QAM

Category 5 5 1 7298 57600 ~3.6Mbps

Category 6 5 1 7298 67200 ~3.6Mbps

Category 7 10 1 14411 115200 ~7.2Mbps

Category 8 10 1 14411 134400 ~7.2Mbps

Category 9 15 1 20251 172800 ~10.1Mbps

Category 10 15 1 27952 172800 ~14Mbps

Category 11QPSK

5 2 3630 14400 ~1.8Mbps

Category 12 5 1 3630 28800 ~0.9Mbps

Category 13 QPSK /

16QAM /

64QAM

15 1 35280 259200 ~17.6Mbps

Category 14 15 1 42192 259200 ~21.1Mbps

Nouvelles catégories de mobiles HSPA+ 16-QAM

E-DCH category

Modulation

Maximum number of E-DCH codes transmitted

Minimum spreading

factor

Support for 10 and 2 ms TTI EDCH

Maximum number of bits of an E-DCH

transport block transmitted within a 10 ms E-DCH TTI

Maximum number of bits of an E-DCH transport

block transmitted within a 2 ms E-

DCH TTI

Theoretical max. data

rate

Category

11 SF4

10 ms TTI

only7110 - ~0.7Mbps

Category

2 2 SF4

10 ms and

2 ms TTI14484 2798

~1.5Mbps

~1.4Mbps

Category 10 ms TTI


QPSK

Category

32 SF4

10 ms TTI

only14484 - ~1.5Mbps

Category

42 SF2

10 ms and

2 ms TTI20000 5772

~2Mbps

~2.9Mbps

Category

52 SF2

10 ms TTI

only20000 - ~2Mbps

Category

64 SF2

10 ms and

2 ms TTI20000 11484

~2Mbps

~5.7Mbps

Category

7

QPSK /

16QAM4 SF2

10 ms and

2 ms TTI20000 22996

~2Mbps

~11.5Mbps

When 4 codes are transmitted in parallel, two codes are transmitted with SF2 and two with SF4

HS-DSCH category

MIMO support

Modulation

Maximum number of HS-DSCH codes

received

Minimum inter-TTI interval

Maximum number of bits of an HS-DSCH

transport block received within an

HS-DSCH TTI

Total number of soft

channel bits

Theoretical max. data rate

…

No

… … … … … …

Category 11QPSK

5 2 3630 14400 ~ 1.8Mbps

Category 12 5 1 3630 28800 ~ 0.9Mbps

Category 13 QPSK /

16QAM / 15 1 35280 259200 ~ 17.6Mbps

Nouvelles catégories de mobiles HSPA+ MIMO


16QAM /

64QAMCategory 14 15 1 42192 259200 ~ 21.1Mbps

Category 15Yes

QPSK /

16QAM

15 1 23370 345600 ~ 11.7 Mbps

Category 16 15 1 27952 345600 ~ 14 Mbps

Category 17

No

QPSK /

16QAM /

64QAM

15 1 35280 259200 ~ 17.6 Mbps

YesQPSK /

16QAM15 1 23370 345600 ~ 11.7 Mbps

Category 18

No

QPSK /

16QAM /

64QAM

15 1 42192 259200 ~ 21.1Mbps

YesQPSK /

16QAM15 1 27952 345600 ~ 14 Mbps

Introduction au A-GPS(Assisted GPS)


(Assisted GPS)

Principes de base du GPS

� La partie “spatiale”� 24 satellites en rotation sur 6 orbites

� 2 rotations complètes par jour

� Altitude 20.200 km

� Horloges atomiques synchronisées

� La partie “controle”


� 5 stations de controle sur terre (US-Army)

� Analyse les signaux des satellites� Controle des trajectoires et des horloges atomiques

� Calcul des données pour les nouvelles orbites

� Le récepteur GPS

Principes de base du GPS

� Trames (frames): 5 Sub-frames de 300 bits chacune (50 Hz)


� Sub-frames 1-3: “Satellite-specific”, répétition toutes les 30 secondes� Ephemeris: données de la route du satellite qui transmet le signal

� Paramètres de temps et de correction

� Sub-frames 4-5: répétition “complète” après 12.5 min� Almanach: données des routes de tous les satellites

� Acquisition des données de navigation complètes: 25 trames (12 minutes 30s!)

Fonctionnement du A-GPS

� Les données satellites (trajectoires, positions, etc…) sont transmises via le réseau mobile

� Les informations de localisation du réseau mobile sont utilisées pour estimer rapidement la position du mobile

� 2 modes possibles:


� 2 modes possibles:� “UE based mode”

� “Network based mode”

Fonctionnement du A-GPS (UE based Mode)

� Le réseau transmet au mobile:� Les informations de toute la constellation de satellites

� Sa position “grossière” estimée a partir des positions des stations de base

� Le récepteur GPS mesure les signaux des satellites recus et calcule lui-même sa position exacte


Almanac

Ephemeris

Navigation

Acquisition

Ionospheric

UTC

Fonctionnement du A-GPS (Network based Mode)

� Le réseau transmet au mobile:� Les informations concernant les satellites a portée du mobile

� La position “grossière” du mobile (estimée a partir des positions des stations de base) est envoyée au serveur de localisation

� Le récepteur GPS mesure les signaux des satellites recus et transmet ces données au serveur via le réseau mobile


� La position exacte est calculée par le serveur de localisation (puis retransmise au mobile)

Almanac

Ephemeris

Navigation

Acquisition

Ionospheric

UTC

Measurement

report

Introduction au LTELong Term Evolution


Long Term Evolution

LTE vs autres technologies “Wireless” existantes

� LTE devrait permettre le meilleur compromis débit / efficacitéspectrale / mobilité


UMTS vers HSPA puis HSPA+ puis LTE

� LTE constitue la dernière évolution de l’UMTS => 3,9G !

� Toutes les évolutions technologiques des réseaux de télécommunications sont guidées par 2 objectifs majeurs:� Augmenter les débits

� Réduire le temps de latence (ou RTT, Round Trip Time)


Les grands principes de LTE

� Techniques pour augmenter le débit: nouvelle interface radio� Augmenter la largeur de bande utilisable

� MIMO (Multiple In – Multiple Out)

� Nouvelle technique d’accès multiple: OFDM

� Modulations + performantes

� Techniques pour diminuer le RTTRéaliser les acquittements de données dans le Node-B

Slide 70

� Réaliser les acquittements de données dans le Node-B

� Méthode de “Fast Scheduling”, réduction du TTI (Time Transmission Interval)

� Techniques pour optimiser l’utilisation des ressources� Utilisation exclusive du mode Paquet, même pour des communications

voix ou vidéo (disparition du mode Circuit)

� Tous les canaux sont des canaux partagés (disparition des canaux dédiés)


Interface Radio de LTE� Augmentation de la largeur de bande: 5, 10, 15 ou 20MHz

� 20MHz � autorise débits importants mais difficile a mettre en oeuvre dans la pratique (le MHz est une ressource rare et chère!)

� 5MHz � débits + limités mais permet la mise en oeuvre de LTE même dans les zones ou le spectre est déja très charge

� MIMO: plusieurs antennes en émission et/ou réception

Slide 71

� Même signal transmis sur toutes les antennes � amélioration C/I

� Une partie du signal transmis sur chaque antenne � multiplication par n du débit théorique


Interface Radio de LTE: concept MIMO� MIMO permet la diversité de réception...

� Même signal recu sur plusieurs antennes � augmentation du C/I (donc du débit)

Slide 72

� ... et la diversité d’émission...� Même signal transmis sur toutes les antennes � amélioration C/I

� Une partie du signal transmis sur chaque antenne � multiplication par n du débit théorique


Data

Interface Radio de LTE: concept OFDM

� Technique d’accès multiple OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)� Système a large bande nécessite équalization très performante

(amplificateurs et filtres parfaitement linéaires n’existent pas!)

P

BP

B

Equalisation bcp + facile a réaliser sur ∆B que sur B


f f∆B

Un signal OFDM est un signal multiplexé en temps (timeslots) et en fréquences(“sub-carriers”)


� Multiplexage en frequence

f0

P

f1 f2 f3 f4 f5

- Chaque sous-canal (“sub-carrier”) OFDM transporte une partie du signal

- Le réseau attribue a chaque mobile un groupe de sous-canaux

Slide 74

� Multiplexage en temps: trame TDMA LTE


f0 f1 f2 f3 f4 f5

- 1 slot = plus petit intervallede temps pour adaptation du signal

- 1 “sub-frame” = ressourceminimale allouée a chaquemobile


� Propriété des fréquences orthogonales� Le maximum de chaque fréquence correspond au “zéro” (minimum) de

toutes les autres (=> pas ou peu d’interférences entre “sub-carriers”)


Periode TMC


� Le multiplexage des mobiles se fait:� En fréquence (ressource minimale dédiée a un mobile = 12 sub-carriers

soit 180kHz)

� Et en temps (possibilité de modifier l’allocation toutes les 1 ms (sub-frames)

1 “Ressource Block” = 180kHz = 12 sub-carriers 1 “sub-carriers” = 15Khz


frequence

temps

UE1

UE2

UE3

UE4

UE5

UE6

1 slot(0.5ms)

1 “sub-frame”(1ms)

Interface Radio de LTE: modulation 64QAM� 64-QAM utilisée comme pour le HSPA+

� 6 bits par symboles -> multiplie le débit binaire par 6 pour un même débit symbole sur l’interface air

� Nécessite un traitement du signal beaucoup plus performant (beaucoup + “sensible” au bruit)

i1

101111 101101 100101 100111 000111 000101 001101 001111

i3 i3 i3

i2 i2

q3

q1.08

QPSK = 4QAM

2 bits/symboles


101110 101100 100100 100110 000110 000100 001100 001110

101010 101000 100000 100010 000010 000000 001000 001010

101011 101001 100001 100011 000011 000001 001001 001011

q1

q2

q3

q3

q2

0.154 0.463 0.771 1.08

0.154

0.463

0.771

111011 111001 110001 110011 010011 010001 011001 011011

111010 111000 110000 110010 010010 010000 011000 011010

111110 111100 110100 110110 010110 010100 011100 011110

111111 111101 110101 110111 010111 010101 011101 011111

16QAM

4 bits/symboles

64QAM

6 bits/symboles

Techniques pour diminuer le RTT

� Certaines applications nécessitent un “temps de réaction” trèsrapide (ex: jeux en réseau), donc un RTT le plus petit possible

� LTE utilise 2 techniques pour réduire le RTT:� Diminution du TTI

� Acquittement des données dans le node-B

Slide 78

� Diminution du TTI (Time Transmission Interval) = périodeminimale de modification d’allocation des ressources

� GPRS/EDGE � TTI = environ 18ms (4 trames TDMA)

� UMTS � TTI min = 10ms

� HSPA � TTI min = 2ms

� LTE � TTI = 1ms

� Plus le TTI diminue, plus vite le réseau peut adapter l’allocation des ressources au besoin réel de chaque mobile


Techniques pour diminuer le RTT

� Réduire le RTT nécessite de “descendre” une partie de l’intelligence du réseau des RNC vers les Node-B=> Les acquittements de données sont réalisés directement entre le

mobile et le Node-B (beaucoup + rapide)


Techniques pour optimiser les ressources

� But: éviter la réservation de ressources non-utilisées

� 2 techniques principales:� Disparition du mode Circuit (Circuit Switch)

� Utilisation exclusive du mode de transmission “paquets” (Packet Switch)

� Tous les échanges de données (même pour des communications voix ou vidéo) sont réalisés en mode paquet (comparable a la “voix sur IP VoIP”)

� Disparition des canaux dédiés: tous les canaux sont des canaux partagés (Shared Channels)

Slide 80

partagés (Shared Channels)


BTSeNode-B

Physical Control Format Indicator Channel�Indique le format du PDCCH

Physical Downlink Control Channel�Downlink et Uplink “scheduling” (allocation ressources)

Physical Downlink Shared Channel�Donnees utilisateur Downlink

Physical Hybride ARQ Indicator Channel�Ack/Nack pour les paquets Uplink

Physical Uplink Control Channel� Ack/Nack pour les paquets Downlink, “scheduling” requests (allocation ressources), CQI

Physical Uplink Shared Channel�Donnees utilisateur Uplink

cours umts hspa lte

Documents