3gpp Lte Long Term Evolution Physical Layer and Associated Performances 4137

3GPP Long Term Evolution _________ Etude de la couche physique et des performances

Plan de l’étude Introduction I. Etude de la couche physique : concepts implémentés II. Performances

Plan de l’étude Introduction I. Etude de la couche physique : concepts implémentés II. Performances

Introduction Qu’est-ce que le LTE ? –Le LTE est la prochaine évolution de l’UMTS après l’HSDPA/HSUPA, aussi appelé 3.9G ou super3G

Pourquoi le LTE ? –Afin d’assurer la compétitivité à long terme de l’UMTS UMTS Débit DL 384 kbps Débit UL 128 kbps RTT ~ 150ms

3GPP Release 99 2003/2004

HSDPA Débit pic DL 14 Mbps RTT ~ 100ms

HSUPA Débit pic UL 5.7 Mbps RTT ~ 50ms

LTE Débit pic DL 100 Mbps Débit pic UL 50 Mbps RTT ~ 10ms

3GPP Release 5

3GPP Release 6

3GPP Release 7/8

2005/2006

2007/2008

2009/2010

Introduction Quels sont les objectifs du LTE? • Atteindre des débits pic de 100 Mbps (DL) et 50 Mbps (UL) » 3 à 4 fois la Rel.6 en DL, 2 à 3 fois en UL

• Réduire la latence » RTT de 10ms

• Améliorer l’efficacité spectrale » 3 à 4 fois la Rel.6 en DL, 2 à 3 fois en UL

• Posséder une bande passante modulable » 1.25 / 2.5 / 5 / 10 / 15 / 20 MHz

• Supporter la mobilité entre les différents réseaux d’accès » 2G / 3G / Wlan / Wimax

• Utiliser le domaine PS pour l’ensemble des services • Implémenter une nouvelle architecture simplifiée du réseau • Assurer la compatibilité avec les Releases 3GPP précédentes

Introduction Quels sont les principaux changements du LTE ? – De nouvelles technologies pour les transmissions radio » OFDMA en Downlink » SC-FDMA en Uplink » MIMO

– Une nouvelle architecture du réseau » Une station de base enrichie en fonctionnalités (eNodeB) » L’implémentation d’un nouveau cœur de réseau (Evolved Packet Core)

– Une nouvelle architecture protocolaire radio » Réduction de la complexité » Suppression des canaux dédiés

Plan de l’étude Introduction I. Etude de la couche physique : concepts implémentés II. Performances

Etude de la couche physique • Pourquoi l’OFDMA en DL? » Fiabilité déjà établi au travers de technologies comme le WiFi, le Wimax, l’ADSL/ADSL2+, ou encore le DVB » Résistance au multi-trajet » Efficacité spectrale élevée » Complexité de l’implémentation réduite » Flexibilité de l’allocation des ressources en temps et en fréquence » Compatibilité avec la technologie MIMO

• Pourquoi le SC-FDMA en UL? » Technologie très proche de l’OFDMA » Un plus faible PAPR augmentant l’efficacité des PA des mobiles » Une plus grande résistance aux erreurs de codage et au décalage des fréquences

Etude de la couche physique Structure des trames Les transmissions sont organisées en trames radio d’une durée de 10 ms

• Deux approches ont été définies pour la structure de ces trames : – Approche 1 : Plusieurs structures de trames – Coexistence FDD : trame générique – Coexistence HCR-TDD : trame générique » 3 TS HCR-TDD ~ 4 TS E-UTRA

– Coexistence LCR-TDD : trame alternative

– Approche 2 : Une seule structure de trames – Coexistence FDD : trame générique – Coexistence HCR-TDD : trame générique – Coexistence LCR-TDD : trame générique » Adaptation grâce à l’insertion de symboles et/ou sub-frames ‘idle’ dans la trame E-UTRA

Etude de la couche physique Structure des trames • La structure de trame générique – –

20 slots de 0.5 ms chacun, numérotés de 0 à 19 1 sub-frame = 2 slots successifs » Sub-frame i = Slot 2i & Slot 2i+1

– –

En FDD : La trame entière est alternativement dédiée au DL et à l’UL En TDD : Une sub-frame est allouée au DL ou à l’UL de manière indépendante » La première sub-frame d’une trame radio est toujours réservée au DL

One radio frame, Tf = 307200×Ts=10 ms One slot, Tslot = 15360×Ts = 0.5 ms #0

#1

One subframe Source : 3GPP TR 36.211

#2

#3

#18

#19

Etude de la couche physique Structure des trames • La structure de trame alternative –

2 demi-trames identiques de 5 ms chacune • 1 demi-trame – 7 slots de 0.675 ms, numérotés de 0 à 6 – 3 champs spéciaux : DwPTS, GP, UpPTS

– – –

Le slot 0 et DwPTS sont réservés aux transmissions DL Le slot 1 et UpPTS sont réservés aux transmissions UL Chaque slot dispose d’un TimeSlot Interval qui peut être utilisé comme Guard Period lors des passages des slots UL à DL et réciproquement One radio frame, Tf = 307200×Ts

#0

#1

DwPTS

#2

#3

#4

#5

#6

UpPTS

Guard period

Source : 3GPP TR 36.211

Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Généralités sur l’OFDM – Les flux d’informations sont répartis sur plusieurs sous-porteuses – Les sous-porteuses sont orthogonales entre-elles, ce qui leur permet d’être très proches les unes des autres » Espacement entre sous-porteuses de 15 KHz

– Un intervalle de garde est ajouté après chaque symbole pour contrer les effets du multipath – Lors des transmissions, chaque utilisateur se voit attribuer une portion du spectre » Utilisation de plusieurs sous-porteuses simultanément pour un même signal 5 MHz Bandwidth

FFT

La largeur du spectre s’étend de 1,25 à 20 MHz

Sub-carriers

Guard Intervals

…

Symbols

Frequency

… Time

Source : 3GPP TR 25.892

Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Généralités sur l’OFDM –

L’OFDM utilise les Inverse Fast Fourier Transforms (IFFT) pour l’émission d’un signal downlink et les Fast Fourier Transform pour sa réception.

Codage canal Interleaving

Modulation des symboles

Modulation OFDM (IFFT)

Insertion des intervalles de temps

Décodage canal De-interleaving

Démodulation des symboles

Démodulation OFDM (FFT)

Retrait des intervalles de temps

Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Avantages de l’OFDM pour les réseaux mobiles –

Multipath • Un Temps Symbole important rend le signal plus résistant au multipath • Les intervalles de garde limitent les interférences inter-symboles dues au multipath

–

Efficacité spectrale • Efficacité spectrale élevée due à l’orthogonalité quasi-totale des sous-porteuses, autorisant une fine séparation fréquentielle entre-elles

–

Réception • Grande simplicité de la reception : simple implémentation de FFT au niveau de l’UE • Aucun système d’annulation des interférences intracellulaires n’est nécessaire

–

Extension à MIMO • Chaque sous-porteuse à bande étroite se comporte comme un flat fading channel, ce qui se traduit par un gain complexe constant et facilite l’implémentation des systèmes MIMO

Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Inconvénients majeurs de l’OFDM –

Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) • Le PAPR est élevé, ce qui limite l’efficacité des Power Amplifiers des mobiles • Effet sur les symboles OFDM transmis : – –

–

Etalement spectral (interférences entre canaux adjacents) BER élevé (intermodulation, changement dans la constellation)

Sensibilité au décalage fréquentiel • Le décalage fréquentiel rompt l’orthogonalité des sous-porteuses et cause des interférences inter-porteuses (InterCarrier Interferences ICI), ce qui dégrade fortement les performances du réseau

Etude de la couche physique Downlink OFDMA • Génération d’un signal OFDM –

Génération conceptuelle • Les symboles sont transmis de manière synchrone et indépendante sur un ensemble de sous-porteuses. Les modulations PSK et QAM sont utilisées. Q AM m odulator

. . .

e jω t 0

• ωn est la nième fréquence de sous-porteuse Σ

Q AM m odulator

e jω

. . .

s (t)

• 1/Tu est le Débit Symboles QAM

nt

Q AM m odulator

Sym bol rate = 1/T u s sym bols/sec

–

e jω

N − 1t

• L’espacement inter-porteuses est constant

Source : 3GPP TR 25.892

Génération pratique • Un signal OFDM est généré en utilisant l’IFFT processing. mTu

time

(m+1)Tu

a(mN + 0) mTu

a(mN + 1)

time

(m+1)Tu

• a(mN+n) est le symbole modulé de la nième sous-porteuse durant la période de temps mTu2.5MHz sinon Q=32Kbps

VoIP

2% de taux de coupure avec moins de 98% des frames de voix envoyées avec un délai inférieur à [40] ms sur l’interface air frames de voix consécutives perdues < [0.05]%

S Kbps Streaming Vidéo S=128 pour une BP >2.5MHz sinon 64

2% de taux de coupure avec plus de 2% de paquets perdus

Vidéo Conferencing

Audio : Comme la VoIP Vidéo ; Comme le Streaming Vidéo

Source : 3GPP TR 25.814

Performances Downlink • Débits théoriques – Le tableau suivant décrit les débits pics en DL pour l’E-UTRA FDD/TDD

Source : 3GPP TR 25.814

Performances Downlink • Débits théoriques – La figure suivante présente le débit atteignable en fonction du Es/N0 reçu. » Configuration MIMO 2x2, BP=20MHz, 2 types d’UE et divers taux de codage et modulations Source : 3GPP TR 25.814

120

• La modulation QPSK est la plus avantageuse pour des valeurs de Es/N0 variant de 0 à 11 dB

QRM-MLD using ASESS MMSE

Throughput (Mbps)

100 QPSK R = 1/2 QPSK R = 2/3 QPSK R = 3/4 16QAM R = 1/2 16QAM R = 2/3 16QAM R = 3/4 16QAM R = 4/5 64QAM R = 2/3 64QAM R = 3/4 64QAM R = 4/5

80 60

• Pour des valeurs de Es/N0 de 11 à 20 dB, c’est la modulation 16QAM qui donne le meilleur débit • Pour un Es/N0 supérieur à 20 dB, la modulation 64QAM est préférable et permet d’atteindre le débit requis de 100 Mbit/s

40

• Pour chaque modulation, l’augmentation progressive du Es/N0 permet l’utilisation de taux de codage de plus en plus élevés

20 0

0

5

10

15

20

25

30

Average received Es/N0 per receiver branch (dB)

Performances Downlink • Débits théoriques – La figure suivante présente les débits pics, moyens et en bordure de cellule pour 3 scénarios différents et suivant différentes configurations MIMO » Scénario A : Environnement multicellulaire » Scénario B : Site trisectoriel isolé » Scénario C : Cellule isolée Source : 3GPP TR 25.814

A

Pour atteindre le débit de 100 Mbit/s (BP=20MHz)

B

• Dans le cas A : une configuration MIMO 4x4 est nécessaire

C

• Dans le cas B : la configuration MIMO 2x4 suffit

(1,2)

(2,2) (2,4) (4,4)

(1,2) (2,2) (2,4) (4,4)

(1,2)

(2,2) (2,4) (4,4)

Ces résultats montrent donc que les paramètres en DL doivent être adaptés aux différents scénarios de déploiement

• Dans le cas C : la configuration MIMO 2x2 suffit

Performances Downlink • Evaluation du débit – Il s’agit là d’une comparaison entre OFDMA et W-CDMA. Celle-ci met en avant les différences de débit et d’efficacité spectrale entre ces deux techniques d’accès et permet d’évaluer les performances de l’OFDMA par rapport aux pré-requis suscités. » Les configurations utilisées correspondent à celles du document TR 25.913 » Modèle de trafic : Full Buffer » Scheduling : Proportional Fair

– Le tableau ci-dessous présente l’efficacité spectrale de l’OFDM par rapport au WCDMA pour 10 utilisateurs par secteur et différentes largeurs de sous-bandes OFDM : Source : 3GPP TR 25.814 Cas

Vitesse [km/h]

Référence WCDMA Type I [b/s/Hz]

1

3

0.988

1.840

(+86%)

2

30

0.664

1.510

(+127%)

-

3

3

0.922

1.620

(+76%)

-

OFDM 0.5 ms TTI Sous bandes de 375 KHz [b/s/Hz]

OFDM 0.5 ms TTI Sous bandes de 563 KHz (bps/Hz) 1.782

(+80%)

OFDM 0.5 ms TTI Sous bandes de 1125 KHz [b/s/Hz] 1.560

(+58%)

1.260

(+90%) -

Performances Downlink • Evaluation du débit – Le tableau ci-dessous présente les différentes configurations proposées par les constructeurs lors des tests comparatifs avec les performances du W-CDMA :

Source : 3GPP TR 25.814

Performances Downlink • Evaluation du débit – Le tableau ci-dessous présente les différentes configurations proposées par les constructeurs lors des tests comparatifs avec les performances du W-CDMA : Il est fréquent d’excéder un gain de 3x pour le débit par secteur et par utilisateur, et un gain de 2x pour le débit des utilisateurs en bordure de cellule.

Source : 3GPP TR 25.814

Cependant, obtenir simultanément un gain de 3/4x pour le débit par secteur et par utilisateur et un gain de 2/3x pour le débit des utilisateurs en bordure de cellule est plus rare. Cela a été possible pour les simulations 4a,b,c et 2b, grâce à l’utilisation du MIMO 2x2, d’un TTI plus long et/ou moins de signalisation.

Performances Downlink • Evaluation de la capacité VoIP –

Afin de définir la capacité VoIP, on procède comme suit : » On estime le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 2% étant donné un délai de transmission limite. En cas de dépassement de ce délai pour un paquet, l’appel est comptabilisé en tant qu’erreur. » Si le délai de transmission de 95% des UEs, ayant un BLER inférieur à 2%, est inférieur au délai limite de 100 ms, alors on considère le critère VoIP comme étant satisfait. » Le nombre maximum d’UEs qui satisfont le critère précédent définit la capacité VoIP du réseau.

–

Ci-dessous sont présentés les résultats des simulations de System Level pour la capacité VoIP de l’E-UTRA par rapport à l’UTRA des Rel.5 et 6 » Modulation QPSK, R=1/2, BP=5MHz

Source : 3GPP R1-062511

Performances Downlink • Evaluation de la capacité VoIP – Les courbes ci-dessous présentent le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 2% en fonction du délai de transmission limite Rel.6 1

0.95

0.95 Percentage of UEs with BLER