LTE Cours Complet

06/10/2010

Sommaire I. II. III. IV. V.

Système LTE/SAE : Interface radio, Architecture et Protocoles Sami Tabbane 1

LTE/SAE Architecture réseau et protocoles Protocoles du plan de contrôle Protocoles du plan usager Couche physique pour le lien descendant VI. Couche physique pour le lien montant

2

Releases 3GPP (1)

I. LTE/SAE

3

Release 99 (figée en Mars 2000) - Première version de la norme UMTS, - Introduction de l’UTRAN, - Peu de modification du cœur de réseau GSS. Release 4 (figée en Mars 2001) - Evolution du transport dans le cœur de réseau, - Séparation des données et du contrôle dans le cœur CS, - Premières étapes vers les NGN. Release 5 (figée en Juin 2002) - Introduction de l’IMS (pour le plan contrôle, avec le domaine PS pour le plan transport), - HSDPA, 4 - IP dans l’UTRAN.

1

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Releases 3GPP (2) Release 6 (figée en Décembre 2004) - HSUPA (E-DCH), - MBMS, - MIMO, - Partage du réseau, - Améliorations IMS : services temps réel, convergence avec le fixe, intégration de modes d’accès alternatifs (WLANs, xDSL, 3GPP2). Release 7 - Evolution vers le tout-IP, - Evolution vers le B3G, - MIMO, UMTS 2,6 GHz, UMTS 900 MHz.

UMTS Release 99 MMSC

Billing

OMC

SCP

HLR

MSC/VLR

GMSC SGSN

GGSN PS Core

CS Core

Node B RNC

Basée sur GSM et GPRS

5

6

UMTS Release 4 MMSC

OMC

SCP

UMTS Release 5 Billing

MMSC

HLR

MSC Server

SCP

GMSC Server

GMSC Server CSCF

CS GMGW

CS

SGSN

GGSN

GMGW

MGW

PS Core

CS

Node B

SGSN

IMS

MGCF

GGSN PS Core

Node B RNC

Plans de contrôle et de transport séparés pour CS

Billing

HSS

MSC Server

CS MGW

OMC

RNC

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Introduction d’IMS et IP dans le RAN

8

2

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Synthèse des évolutions Release 99 – 1999

Release 4 – 2001

FDD et TDD à 384 kb/s

TDD à 1,28 Mb/s

Services GSM/GPRS Handover GSM/GPRS Support pour appels multiples LCS sur interface radio

Répéteur UTRA TFO/TrFO LCS sur interfaces réseau

Release 6 – 2004

Objectifs du LTE (1)

Release 5 – 2002 Évolution du transport vers l’IP IMS HSDPA QoS fiable pour le domaine PS

• Défis de l’E-UTRAN :

Évolution vers un coeur de réseau IP

Release 7 – 2006

HSUPA TDD amélioré Évolution vers cœur tout Technologie MIMO IP et IP dans RAN Débits théoriques de 14 Support amélioré IMS Mb/s (DL) et 5 Mb/s (UL) Intégration avec d’autres WLANs

Beyond 3G - LTE Modulation OFDM Autres technologies en cours d’étude

– Demande de débits de données plus importants – Prévision d’allocations de spectre 3G additionnel – Plus grande flexibilité dans l’allocation de fréquences : Opération dans des bandes appariées ou non sur les liens montant et descendant de largeurs 1.25, 2.5, 5, 10, 15 et 20 MHz – Coexistence avec GERAN et UTRAN – Compétition avec des technologies avec ou sans licence (WiMAX, WiFi, …)

9

Objectifs du LTE (2)

10

Objectifs du LTE (3)

–Jusqu’à 200 utilisateurs actifs dans une cellule, pour une bande de 5 MHz

– Enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service (EMBMS) – Support amélioré de la qualité de service de bout-en-bout – Coûts d’OPEX réduits – Complexité système et terminal, coûts et consommation de puissance acceptables – Compatibilité avec les versions antérieures et d’autres systèmes – Optimisé pour les faibles vitesses mobiles ( Delay spread, - Les composants multitrajets disparaissent avant l’extraction de l’information - Réduit l’efficacité spectrale.

Durée symbole + CP 219

220

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Temps de garde / Préfixe cyclique (2) Implanté avec une extension cyclique : - Une partie du signal est copiée au début du signal, - Orthogonalité maintenue. Chaque copie du signal a un nombre entier de cycles dans la fenêtre FFT : - Les signaux de même phase s’additionnent, - Correction de phase nécessaire.

Extension cyclique et transmission sur les multimulti-porteuses

221

222

Canaux pilotes (2)

Canaux pilotes (1) Référence de phase et d’amplitude pour démoduler les autres sous-porteuses.

223

Diagramme de constellation d’un signal 802.11j. Signal QAM transmis sur plusieurs porteuses + deux extra-symboles représentant l’information modulée sur les porteuses pilotes. 224

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Sous--canaux (1) Sous

Avantages de l’OFDMA

• Flux de données série rapide transformé en flux de données parallèles lents • Durées symboles plus longues. Canal Porteuse

Fréquence

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Sous--canaux (2) Sous Sous-canal

Sous-canal

Amplitude

• Concentration de puissance : Gain de 15 à 26 dB. • Modulation adaptative (adaptation automatique du QPSK au 16 QAM et ce, jusqu’au 64 QAM). • Modification du nombre de porteuses dans chaque sous-canal. • Possibilité de changement de position des porteuses de chaque sous-canal à chaque fin de symbole (permutation de porteuses). • Large bande : jusqu’à 27,5 Mb/s (canaux de 8 MHz). • Capacité à la demande et QoS.

226

Pilotes • Pilotes transmis au début de chaque burst • Permettent le suivi des variations dues au canal et au matériel • Pilotes définis pour leur détection facile • Pilotes sont utilisés pour l’estimation de canal : décalage de fréquence et de phase, utilisation pour la synchronisation.

Spectre OFDM

• Espacement entre souscanaux choisis pour leurs propriété d’orthogonalité • Chevauchement entre souscanaux. 227

228

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IFFT (émission)

Principe de la transmission

• IFFT/FFT est le facteur clé en OFDM : - IFFT : conversion du domaine fréquentiel au domaine temporel (émission, en OFDM), - FFT : conversion du domaine temporel au domaine fréquentiel (réception). • Tout le traitement du signal est réalisé dans le domaine fréquentiel • IFFT/FFT ont de faibles coûts d’implantation.

• L’IFFT transforme une série de symboles transmis sur des sous-porteuses en un signal temporel transmis sur la totalité de la bande de fréquence allouée au système. • L’utilisation d’un temps de garde permet d’éviter les problèmes d’ISI. • L’extension cyclique permet d’obtenir un signal « propre » pendant toute la durée symbole.

229

Couche physique OFDM

DFT--Spread OFDM DFT

Sous-canal : ensemble de sous-porteuses actives, unité de ressource.

Bande de garde (guard band)

Sous-canal 2

Sous-canal 3

Canal

• Le DFT-Spread OFDM (DFTS-OFDM) possède les propriétés suivantes: – Petites variations de la puissance instantanée du signal transmis (Propriété de ‘Mono-Porteuse’) – Possibilité d’égalisation de haute qualité et de complexité réduite dans le domaine fréquentiel – Possibilité de FDMA (Frequency Division Multiple Access) avec allocation flexible de bande

Sous-porteuse DC Sous-canal 1

230

Bande de garde

231

•
DFST-OFDM a été sélectionnée pour la transmission sur le lien montant du LTE 232

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Emetteur DFTSDFTS-OFDM

1/6

Emetteur DFTSDFTS-OFDM

2/6

• Le modulateur DFTS-OFDM repose sur une génération par bloc du signal émis (Similaire à l’OFDM): – 1- Un bloc de M symboles modulés (QPSK, 16QAM, …) est appliqué à un DFT de taille M – 2- La sortie du DFT est appliquée à des entrées consécutives d’une IDFT de taille N, où • N≥M • Les entrées non utilisées de la IDFT sont mises à 0

– 3- Insertion d’un préfixe cyclique pour chaque bloc

• Pour permettre une implémentation efficace de la IDFT, N = 2n, pour un n entier • La présence du préfixe cyclique permet une égalisation à complexité réduite dans le domaine fréquentiel côté récepteur

Génération du Signal DFTS-OFDM 233

Emetteur DFTSDFTS-OFDM

3/6

• La modulation DFTS-OFDM peut être vue comme une modulation OFDM précédée par une opération DFT
OFDM pré-codée • Taille M de la DFT = Taille N de la IDFT
Cascade de blocs DFT et IDFT annulant chacun l’autre • M < N + Entrées restantes de la IDFT mis à 0 –
Signal en sortie de l’IDFT ayant la propriété ‘MonoPorteuse’ –
Bande dépendant de M: fs, fréquence d’échantillonnage de la sortie de l’IDFT
Bande nominale du signal émis BW = M/N fs •
Variation de la taille de bloc M
Variation de la bande instantanée du signal émis •
Décalage des entrées de l’IDFT correspondants aux sorties de la DFT
Décalage dans le domaine fréquentiel du signal émis 235

234

Emetteur DFTSDFTS-OFDM

4/6

• Offrir un grand degré de flexibilité dans la bande instantanée, donnée par la taille M de la DFT
Impossibilité d’assurer M = 2m, pour m entier •
M exprimée comme le produit de petits nombres premiers
Implémentation à faible complexité avec traitement FFT • Remplacement de l’OFDM par le DFTS-OFDM
Réduction des variations instantanées de la puissance transmise
Augmentation de l’efficacité de l’amplificateur de puissance 236

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Emetteur DFTSDFTS-OFDM

Emetteur DFTSDFTS-OFDM

5/6

6/6

• Le PAR est la puissance pic dans un bloc IDFT (1 symbole OFDM) normalisée par la puissance moyenne du signal • Le PAR du DFTS-OFDM est significativement plus faible comparé à celui de l’OFDM • Le PAR:

QPSK

– Du DFTS-OFDM augmente un peu en passant du QPSK au 16QAM – De l’OFDM reste à peu près indépendant de la modulation

16QAM

Distribution du PAR (Peak-to-Average Power Ratio) pour l’OFDM et le DFTS-OFDM

• Le PAR ne permet pas de bien quantifier l’impact des variations en puissance sur le recul (back-off) de l’amplificateur
Utilisation de la métrique cubique: Mesure du recul additionnel pour un certain signal par rapport à un signal de référence

237

Récepteur DFTSDFTS-OFDM

1/3

238

Récepteur DFTSDFTS-OFDM

2/3

• Opérations effectuées en démodulation = Opérations inverses des opérations effectuées en modulation: – Suppression du préfixe cyclique – Traitement FFT de taille N – Suppression des échantillons en fréquence ne correspondant pas au signal à recevoir – Traitement IDFT de taille M

• Canal idéal
Signal non dégradé par le canal
Restauration parfaite du bloc de symboles transmis • Canal dispersif en temps(Sélectif en fréquence)
Signal dégradé par le canal
Interférence propre (Self Interference)

Principe de Base de la démodulation DFTS-OFDM

239

240

60

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Récepteur DFTSDFTS-OFDM

3/3

• Explication: Canal est sélectif en fréquence sur l’étendue de la DFT
IDFT incapable de reconstruire le bloc original de symboles transmis •
Une égalisation dans le domaine fréquentiel est nécessaire pour compenser la sélectivité fréquentielle du canal

Multiplexage d’Utilisateurs avec DFTS--OFDM 1/5 DFTS

Allocations à Bandes Egales

Allocations à Bandes Différentes

Multiplexage sur le Lien Montant avec le DFTS-OFDM Démodulateur DFTS-OFDM avec Egalisation dans le Domaine Fréquentiel

241

Multiplexage d’Utilisateurs avec DFTS--OFDM DFTS 2/5

242

Multiplexage d’Utilisateurs avec DFTS--OFDM DFTS 3/5

• Ajustement dynamique de la taille M de la DFT
Ajustement dynamique de la taille du bloc de symboles modulés a0, a1,…, aM-1
Ajustement dynamique de la bande nominale du signal DFTSOFDM • Décalage des entrées de l’IFDT auxquels les sorties de la DFT sont associés
Ajustement de la position dans le domaine fréquentiel du signal à transmettre •
Le DFTS-OFDM permet un FDMA sur le lien montant avec une allocation flexible de la bande 243

DFTS-OFDM Localisée versus DFTS-OFDM Distribuée 244

61

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Multiplexage d’Utilisateurs avec DFTS--OFDM DFTS 4/5 • • • •

Multiplexage d’Utilisateurs avec DFTS--OFDM DFTS 5/5 •

Sorties de DFT associées à des entrées consécutives de l’IFFT
DFTS-OFDM localisée Sorties de DFT associées à des entrées équidistantes de l’IFFT
DFTS-OFDM distribuée Le spectre du signal de la DFTS-OFDM distribuée n’indique pas clairement une transmission mono-porteuse (Interleaved FDMA) Le signal de la DFTS-OFDM distribuée a des variations en puissance similaires à celles de la DFTS-OFDM localisée

•

Spectres de Signaux DFTS-OFDM Localisé et Distribué 245

LTE physical layer User #1 scheduled

∆f=15kHz

180 kHz

frequency

 Multiple antennas, RBS and terminal – MIMO, antennas lobes, TX- and RX diversity, interference rejection – High bitrates and higher capacity

frequency

Structure Temporelle de Haut Niveau de la Transmission LTE TX

RX

• Flexible bandwidth (with resolution of 180 kHz) – Possibility to deploy in bandwidth of 1/3 283

284

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Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 8/16

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 9/16

• « Nombre total de bits codés délivrés par le codeur de canal » < « Nombre de bits pouvant être transmis »
La fonctionnalité HybridARQ répète tout ou un sous-ensemble de bits codés
Rendement effectif du code Reff < 1/3 • En cas de retransmission, la fonctionnalité Hybrid-ARQ sélectionne un ensemble différent de bits codés à transmettre
‘Incremental Redundancy’

• L’embrouillage (‘Scrambling’) consiste à multiplier bit-à-bit (Ou-Exclusif) le bloc de bits délivré par la fonctionnalité Hybrid-ARQ par une séquence d’embrouillage • L’embrouillage des données codées permet au décodeur du récepteur d’utiliser pleinement le gain de traitement offert par le code de canal

Embrouillage sur le Lien Descendant

285

286

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 10/16

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 11/16

• En appliquant des séquences d’embrouillage différents pour des cellules voisines, les signaux interférant après désembrouillage sont rendus aléatoires
Utilisation complète du gain de traitement offert par le code de canal • L’embrouillage sur le lien descendant est appliqué à tous les canaux de transport
Embrouillage appliqué à la signalisation de contrôle L1/L2 • Les séquences d’embrouillages pour tous les canaux de transport, à l’exception du MCH, et pour la signalisation de contrôle L1/L2, doivent être différentes pour des cellules voisines • En cas de transmission MBSFN utilisant le canal de transport MCH, le même embrouillage doit être appliquer à toutes les cellules
‘Cell-Common Scrambling’

• La modulation transforme un block de bits embrouillés en un bloc de symboles complexes • Les modulations utilisées sur le lien descendant sont:

287

– Le QPSK
2 bits/symbole (L = 2) – Le 16-QAM
4 bits/symbole (L = 4) – Le 64-QAM
6 bits/symbole (L = 6)

• Toutes les modulations sont utilisés pour le DL-SCH • Seul le QPSK est utilisé pour le BCH

Modulation: Transformation de M bits en M/L Symboles Complexes 288

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Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 12/16

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 13/16

• Le ‘mapping’ des antennes (‘Antenna Mapping’) traite les symboles modulés correspondant en général à 2 ‘Transport Blocks’ et distribue le résultat aux différents ports d’antennes • Le LTE offre jusqu’à 4 ports d’antennes • Le ‘mapping’ des antennes peut être configuré de différentes façons pour offrir :

• Le ‘mapping’ des ‘Resource Blocks’ distribue les symboles à émettre sur chaque port d’antenne sur les ‘Resource Blocks’ attribuées par l’ordonnanceur MAC (‘MAC scheduler’) • La sélection des ‘Resource Blocks’ peut être basée sur une estimation de la qualité du canal des ‘Resources Blocks’ comme perçue par le terminal • L’ordonnancement sur le lien descendant se fait sous-trame par sous-trame (toutes les ms) • Chaque ‘Resource Block’ s’étend sur un slot de 0.5 ms
L’attribution se fait par paire de ‘Resource Blocks’ consécutifs en temps dans une sous-trame

– La diversité de transmission (‘Transmit Diversity’) – La formation de lobe (‘Beam Forming’) – Le multiplexage spatial (‘Spatial Multiplexing’) 289

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 14/16

290

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 15/16 • Chaque ‘Resource Block’ compte 84 ‘Resource Elements’ (12 sous-porteuses durant 7 symboles OFDM) • Une partie des ‘Resource Elements’ dans un ‘Resource Block’ est occupée par: – Les symboles de référence, incluant des ‘Resource Elements’ non utilisés correspondant à des symboles de référence d’autres antennes – La signalisation de contrôle L1/L2

‘Mapping’ des ‘Resource Blocks’ sur le Lien Descendant: Il Existe un Seul Ensemble de Ressources et un ‘Mapping’ de Ressources Correspondant pour Chaque Antenne 291

• Le eNodeB a une connaissance parfaite des ‘Resource Elements’ utilisés par les signaux de référence et de contrôle L1/L2
Il peut associer automatiquement les symboles du canal de transport aux ‘Resource Elements’ restants 292

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Traitements du Canal de Transport sur le Lien Descendant 16/16 • Le terminal connait parfaitement les ‘Resource Elements’ utilisés sur le lien descendant par les symboles de référence et le contrôle L1/L2
Il peut extraire automatiquement les symboles du canal de transport des bons ‘Resource Elements’ • Le canal de transport DL-SCH est associé au canal physique PDSCH (Physical Downlink Shared Channel)

Recherche de Cellule

1/10

• La procédure de recherche de cellule permet au terminal: – – – –

De trouver une cellule potentielle à laquelle il peut se connecter D’obtenir l’identité de la cellule D’obtenir la synchronisation trame (Frame Timing) D’obtenir les paramètres essentiels à la réception des informations systèmes sur le canal de transport BCH (Broadcast Channel)
Obtention du reste de paramètres requis pour accéder au système

• Pour éviter une planification de cellule compliquée, le nombre d’identités physiques des cellules doit être très grand: – 510 identités de cellules différentes – 170 groupes d’identités de de cellules contenant 3 identités chacun

293

Recherche de Cellule

2/10

294

Recherche de Cellule

3/10

• La procédure de recherche de cellule est effectuée en plusieurs étapes
Réduction de la complexité de recherche • Pour assister le terminal, le LTE offre sur le lien descendant: – Un signal de synchronisation primaire – Un signal de synchronisation secondaire

• Les signaux de synchronisation primaire et secondaire sont des séquences spécifiques insérées dans les deux derniers symboles OFDM du premier slot des soustrames 0 et 5
En mode TDD, les sous-trames 0 et 5 sont toujours utilisées en lien descendant • La procédure de recherche de cellule peut également exploiter les signaux de référence

Signaux de Synchronisation Primaire et Secondaire (Préfixe Cyclique Normal) 295

296

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Recherche de Cellule

4/10

Recherche de Cellule

• Première étape de la procédure de recherche de cellule: – Le terminal utilise le signal de synchronisation primaire pour trouver la synchronisation en temps sur la base de 5 ms
Synchronisation trame avec une ambiguïté de 5 ms – Le signal de synchronisation primaire est transmis 2 fois par trame
Simplification du handover à partir d’autres technologies d’accès multiple – Un filtrage adapté peut être utilisé entre le signal reçu et les (3) séquences de synchronisation primaires pour acquérir la synchronisation: Lorsque la sortie du filtre adapté atteint son maximum, le terminal aura atteint la synchronisation sur la base de 5 ms

5/10

– 3 séquences différentes peuvent être utilisées en tant que signaux de synchronisation primaire
Bijection entre les 3 séquences et l’identité de la cellule dans son groupe
Le terminal obtient l’identité de la cellule dans le groupe d’identité de cellule
Bijection entre les 3 séquences et les 3 séquences orthogonales utilisées pour la création du signal de référence
Le terminal obtient une connaissance partielle sur le signal de référence

• Deuxième étape de la procédure de recherche de cellule: – Permet au terminal de détecter le groupe de l’identité de cellule et la synchronisation trame

297

Recherche de Cellule

6/10

298

Recherche de Cellule

– Le terminal observe une paires de slots où le signal de synchronisation secondaire est transmis: Si (s1, s2) est une paire de séquences possible, alors •
s1 et s2 représentent respectivement les signaux de synchronisation des sous-trames 0 et 5 • (s2, s1) n’est pas un couple possible


Le terminal résout l’ambiguïté de 5 ms et obtient la synchronisation trame – Chaque paire (s1, s2) permise représente un groupe d’identité de cellule
Obtention du groupe d’identité de cellule
Obtention de la séquence pseudo-aléatoire utilisée pour la génération du signal de référence dans la cellule

299

7/10

• Procédure de recherche de cellule terminée
Le terminal peut recevoir les informations système du BCH pour obtenir le reste des paramètres (Exemple: Bande de transmission dans la cellule) • Les signaux de synchronisation primaire et secondaire sont transmis sur deux symboles OFDM successifs
Traitement cohérent du signal de synchronisation secondaire
Détection aveugle de la longueur du préfixe cyclique

• La synchronisation trame est souvent la même dans des cellules voisines
Permettre l’opération du MBSFN • Au début de la procédure de recherche de cellule, la bande de transmission n’est pas connue
Les signaux de synchronisation sont toujours transmis sur les 72 sousporteuses centrales (≈ 1 MHz) 300

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Recherche de Cellule

8/10

Recherche de Cellule

9/10

• Recherche initiale de cellule: Chercher une cellule pour s’y connecter après allumage du terminal (Durée relâchée) • Recherche de cellules voisines (Neighbor-cell search): Identification de cellules voisines pour handover (Durée stricte) • Lors de la recherche initiale de cellule, le terminal ne connaît pas la fréquence porteuse de la cellule
Le terminal répète la procédure de recherche de cellule pour toute fréquence porteuse possible • En cas de handover intra-fréquence, le terminal n’a pas besoin de chercher les fréquences porteuses des cellules voisines • Pour le fonctionnement du handover, des mesures doivent être effectuées lorsque le terminal reçoit des données sur le lien descendant
Le terminal doit aussi effectuer une recherche de cellules

Génération du Signal de Synchronisation dans le Domaine Fréquentiel

• Les 36 sous-porteuses de part et d’autre de la sousporteuse DC sont réservés à la synchronisation • La taille du IFFT dépend de la bande système • Les sous-porteuses non utilisées par les signaux de synchronisation sont utilisés pour les données 301

Recherche de Cellule

10/10

• Pour une recherche intra-fréquence, la réception de données et la recherche de cellules voisines sont des fonctions séparées en bande de base opérant sur le même signal reçu • En cas de handover inter-fréquence, la réception de données et la recherche de cellules voisines doivent se faire sur des fréquences différentes

302

Canaux Radio

1/14

• Le E-UTRAN doit être capable de transmettre des informations à haut débit et à faible latence, de la manière la plus efficace possible • Pas tous les flux d’information nécessitent la même protection contre les erreurs de transmission ou la même gestion de la Qualité de Service:

– Equiper le terminal avec des circuits de réception RF séparés n’est pas attractif d’un point de vue complexité
Eviter d’ordonnancer le terminal dans une ou plusieurs sous-trames sur le lien descendant
Création de gaps dans la transmission de données permettant au terminal de basculer vers d’autres fréquences pour effectuer des mesures inter-fréquences 303

– Les messages de signalisation doivent être transmis rapidement avec la meilleur protection contre les erreurs – Les flux de données et de voix peuvent accepter un taux de perte de trames raisonnable – Les applications interactives orientées connexion (Web browsing,…) profitent des retransmissions de bout-en-bout pour contrer les problèmes de propagation radio 304

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Canaux Radio

2/14

Canaux Radio

• Pour être flexible, le E-UTRAN propose quelques types de canaux: – Les canaux logiques (Qu’est ce qui est transmis) – Les canaux de transport (Comment est-il transmis) – Les canaux physiques

• Les canaux logiques correspondent aux services de transfert de données offerts par les protocoles de l’interface radio aux couches hautes • Il existe deux types de canaux logiques: – Les canaux de contrôle: Transfert des informations du Plan de Contrôle – Les canaux de trafic: Transfert des informations du Plan Utilisateur

3/14

• Les canaux logiques de contrôle sont: – Le BCCH (Broadcast Control Channel): • Diffuse des informations systèmes aux terminaux présents dans la cellule • Les informations diffusées sont utilisées par le terminal pour connaître l’opérateur, la configuration des canaux communs, comment accéder au réseau

– Le PCCH (Paging Control Channel): Transfère des information de ‘paging’ aux terminaux en cas de communications terminées au mobile 305

Canaux Radio

4/14

306

Canaux Radio

– Le CCCH (Common Control Channel):

5/14

• Les canaux logiques de trafic sont:

• Utilisé pour faire communiquer terminal et E-UTRAN en l’absence de connexion RRC • Utilisé dans la phase initiale de l’établissement d’une communication

– Le MCCH (Multicast Control Channel): Utilisé pour transmettre des informations MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Services) vers un ou plusieurs terminaux – Le DCCH (Dedicated Control Channel): Canal pointà-point bidirectionnel véhiculant des informations de contrôle (Signalisations RRC et NAS) entre un terminal et un réseau 307

– Le DTCH (Dedicated Traffic Channel): Canal point-à-point bidirectionnel, utilisé entre un terminal et le réseau pour transmettre des données utilisateur – Le MTCH (Multicast Tranffic Channel): Canal point-àmultipoint pour le transfert de données du réseau vers un ou plusieurs terminaux (Associé au service MBMS)

• Les canaux de transport décrivent comment et avec quelles caractéristiques les données sont transférées sur l’interface radio: Codage canal, Protection CRC, Entrelacement, Taille des paquets transmis
‘Transport Format’ 308

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Canaux Radio

6/14

Canaux Radio

7/14

• Les canaux de transport sur le lien montant sont:

• Les canaux de transport sont classées en deux catégories:

– Le UL-SCH (Uplink Shared Channel): Equivalent du DL-SCH sur le lien montant – Le RACH (Random Access Channel):

– Canaux de transport sur le lien descendant – Canaux de transport sur le lien montant

• Les canaux de transport sur le lien descendant sont:

• Canal assurant un transfert limité d’informations de contrôle • Utilisé au début de l’établissement d’une communication et en cas de changement d’état RRC

– Le BCH (Broadcast Channel): • Associé au canal logique BCCH • Possède un ‘Tranport Format’ prédéfini

• Les canaux physiques représentent l’implémentation réelle des canaux de transport sur l’interface radio
Leur structure est étroitement liée aux caractéristiques de l’OFDM de l’interface physique

– Le PCH (Paging Channel): Associé au PCCH – Le DL-SCH (Downlink Shared Channel): Transport de contrôle et données utilisateur – Le MCH (Multicast Channel): Associé au MBMS 309

Canaux Radio

8/14

310

Canaux Radio

9/14

• Les canaux physiques sur le lien montant sont:

• Les canaux physiques sur le lien descendant sont: – Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): Transport les données utilisateurs et la signalisation couches hautes – Physical Downlink Control Channel (PDCCH): Transport les affectations de ressources d’ordonnancement sur le lien montant – Physical Multicast Channel (PMCH): Transporte des informations Multicast/Broadcast – Physical Broadcast Channel (PBCH): Transport des Informations Système – Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): Informe le terminal du nombre de symboles OFDM utilisés par le PDCCH – Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): Transporte les réponses ACK et NACK aux transmissions sur le lien montant 311

– Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): Transporte les données utilisateur et la signalisation couches hautes – Physical Uplink Control Channel (PUCCH): Transporte les informations de contrôle, incluant des réponses ACK et NACK aux transmissions sur le lien descendant – Physical Random Access Channel (PRACH): Transporte le préambule d’accès aléatoire transmis par le terminal pour accéder au réseau

• La couche physique utilise les signaux physiques: – Signaux de référence (Un signal par port d’antenne sur le lien DL) – Signaux de synchronisation (Signaux primaire et secondaire) 312

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Canaux Radio

10/14

Canaux Radio

11/14

• Les canaux logiques PCCH et BCCH ont des caractéristiques de transport et physique particulières
Associations de transport et physique spécifiques à eux • L’association du BCCH avec les canaux de transport BCH et DL-SCH n’est pas optionnel : Les Informations Système sont composées de: – Systèmes d’information critiques : Format fixe, Mise à jour fréquente, Association avec le PBCH – Systèmes d’information dynamiques et moins critiques : Association avec un canal de transport offrant plus de flexibilité en terme de bande et de période de répétition
DL-SCH

Associations entre Types de Canaux E-UTRAN 313

Canaux Radio

12/14

314

Canaux Radio

• Les canaux Multicast MCCH et MTCH sont associés:

13/14

• Le modèle canal du E-UTRAN a été hérité du modèle canal de l’UTRAN

– A un canal de transport spécifique MCH en cas d’offre de services MBMS multi-cellules – Au canal DL-SCH au cas où le service MBMS est offert dans une seule cellule

• Les canaux physiques PUCCH, PDCCH, PCFICH et PHICH: – Ne transportent pas d’information des couches hautes – Transportent des informations liées au codage et au HARQ

• Le RACH est un canal de transport spécifique n’ayant pas d’équivalent logique: Le RACH transporte un préambule (Les tous premiers bits envoyés par le terminal au réseau pour demander l’accès)

Association Canaux Logiques/Canaux de Transport au Niveau de la Couche MAC du RNC UTRAN/FDD 315

316

79

06/10/2010

Canaux Radio

Adaptation de Lien: Contrôle de Puissance et de Débit 1/5

14/14


Les modèles UTRAN et E-UTRAN : – Partagent presque les mêmes canaux logiques – Sont complètement différents à l’échelle des canaux de transport : Le canal DCH présent dans l’UTRAN a disparu du E-UTRAN

• Le contrôle de puissance ajuste dynamiquement la puissance émise pour compenser les variations des conditions instantanées du canal
Maintenir un niveau de champ reçu quasiment constant au récepteur
Transmettre les données avec une probabilité d’erreur assez faible

• Les services de données point-à-point du E-UTRAN sont orientés paquet et utilisent un seul canal de transport: le SCH (Shared Channel)
L’interface radio suit la même direction que le réseau cœur paquet tout-IP
Le modèle canal E-UTRAN parait plus simple • Le SCH peut être vu comme une évolution du HS-DSCH (HSDPA) et du E-DCH (HSUPA) 317

Adaptation de Lien: Contrôle de Puissance et de Débit 2/5
La puissance transmise est inversement proportionnelle à la qualité du canal
Débit de données constant, indépendamment des variations du canal
Propriété désirable pour les services en mode circuit (Voix) • Le contrôle de puissance est un type d’adaptation de lien: Ajustement des paramètres de la transmission (Puissance) pour s’adapter aux différentes variations des conditions instantanées du canal et maintenir le niveau de champ reçu à un niveau désiré • Trafic de paquets de données:
Pas de besoin fort d’offrir un débit constant sur le lien radio
Débit de données offert sur l’interface radio le plus haut possible 319

Contrôle de Puissance

318

Adaptation de Lien: Contrôle de Puissance et de Débit 3/5 • Services à débit constant (Voix + Vidéo)
Variations à court terme du débit de données ne posent pas de problème du moment que le débit moyen (sur un court intervalle en temps) reste constant
Débit constant non requis
Adaptation de lien par contrôle dynamique de débit • Le contrôle de débit: – N’a pas pour objectif de garder un débit de données constant sur le lien radio – Ajuste dynamiquement de débit de données pour compenser les conditions variables du canal


Le contrôle de débit maintient le RSB~P/R à un niveau désiré en ajustant le débit de données R plutôt que la puissance de transmission P 320

80

06/10/2010

Adaptation de Lien: Contrôle de Puissance et de Débit 4/5

Adaptation de Lien: Contrôle de Puissance et de Débit 5/5 • Le contrôle de débit est plus efficace que le contrôle de puissance: – Contrôle de débit
Amplificateur de puissance émettant à plein régime
Amplificateur utilisé efficacement – Contrôle de puissance
Puissance de transmission souvent inférieure au maximum
Utilisation non efficace de l’amplificateur dans la plupart des situations

• La débit de données est contrôlé en ajustant la modulation et/ou le rendement du code de canal • Conditions avantageuses du lien radio
Haut RSB
Modulation à grand nombre d’états (16QAM, 64QAM) + Haut rendement du code •
Contrôle de débit = AMC (Adaptive Modulation and Coding)

Contrôle de Débit

321

322

Techniques d’Antennes Multiples 1/2

Techniques d’Antennes Multiples 2/2

• Disponibilité d’antennes multiples à l’émission et/ou à la réception


• Disponibilité simultanée d’antennes multiples à l’émission et à la réception


– Diversité additionnelle contre les évanouissements du canal
• Corrélations faibles entre canaux de différentes antennes •
Distance inter-antenne assez grande (Diversité spatiale), ou •
Antennes avec différentes polarisations (Diversité de polarisation)

– Formation de voie (‘Beam Forming’)
• Maximisation du gain d’antenne dans la direction du récepteur (‘Transmit Beam’) ou de l’émetteur cible (‘Receive Beam’), ou • Suppression d’un signal interférant dominant spécifique • Utilisation avec corrélation forte ou faible entre antennes

323

– Multiplexage spatial par traitement MIMO (MultipleInput Multiple-Output)
Création de ‘canaux’ de transmission multiples parallèles
Utilisation efficace de la bande sans réduction en efficacité de puissance, ou de manière équivalente,
Possibilité d’offrir de hauts débits de données dans une bande limitée, sans dégradation de couverture 324

81

06/10/2010

Antennes Multiples en Réception 1/8

Antennes Multiples en Réception 2/8 • Sous forme vectorielle, la combinaison linéaire des antennes réceptrice est exprimée par:

• Configuration d’antennes la plus communément utilisée • Souvent appelée ‘RX diversity’ même si l’objectif n’est pas toujours de réaliser une diversité contre les évanouissements du canal

• Différents choix du vecteur de pondération w
Différentes approches de combinaisons d’antennes • 1er Cas: Signal transmis sujet à un évanouissement non sélectif en fréquence et à un bruit blanc
Signaux reçus exprimés par: Combinaison Linéaire des Antennes de Réception 325

326

Antennes Multiples en Réception 3/8

Antennes Multiples en Réception 4/8

• Pour maximiser le rapport signal-sur-bruit (RSB) après combinaison linéaire, le vecteur de pondération w doit être sélectionné comme:

• Distances entre antennes suffisamment larges ou directions de polarisation différentes
Antennes mutuellement décorrélées
Gains h1, h2, …, hNR décorrélés
MRC offrant une diversité d’ordre NR • Distances entre antennes réduites
Antennes fortement corrélées
Formation de voie en réception
Gain maximum NR en direction du signal cible
Augmentation du RSB après combinaison proportionnellement au nombre d’antennes réceptrices • MRC est une stratégie de combinaison optimale en présence de bruit blanc • En communication mobile, le signal est principalement altéré par de l’interférence d’autres utilisateurs plutôt que par du bruit

•
MRC: ‘Maximum Ratio Combining’ • Les coefficients de pondération MRC ont 2 objectifs: – Tourner la phase des signaux reçus aux différentes antennes
Compenser les phases de canaux correspondantes
Assurer des signaux alignés en phase avant addition (Combinaison cohérente) – Pondérer les signaux proportionnellement aux gains de canaux respectifs (Appliquer des gains importants aux signaux reçus plus puissants)

327

328

82

06/10/2010

Antennes Multiples en Réception 5/8

Antennes Multiples en Réception 6/8

• 2ème Cas: Nombre relativement important de signaux interférant de puissances comparables
Interférence globale ressemblant à un bruit sans direction d’arrivée spécifique
MRC est encore un bon choix • 3ème cas: Un seul signal interférant dominant (ou nombre limité de signaux interférents dominants)
Sélection des poids des antennes afin de supprimer le signal interférent
Formation de voie à la réception avec atténuation importante dans la direction du signal interférent
IRC: ‘Interference Rejection Combining’ • Signal interférant dominant unique
Signaux reçus exprimés par: Scénario sur le Lien Descendant avec un Seul Signal Interférent Dominant

329

Antennes Multiples en Réception 7/8 •
Signal interférant complètement supprimé si le vecteur de pondération w vérifie l’expression: •
NR-1 degrés de liberté dans le choix de w
Flexibilité dans la sélection du vecteur de pondération
Possibilité (en théorie) de supprimer NR-1 signaux interférents
Augmentation potentiellement grande du niveau de bruit après combinaison d’antennes •
Combinaison MMSE (Minimum Mean Square Error): Sélectionner le vecteur de pondération afin de minimiser l’erreur quadratique moyenne:

330

Antennes Multiples en Réception 8/8 • L’IRC peut aussi être utilisé sur le lien montant pour supprimer l’interférence provenant d’un terminal spécifique • Suppression d’interférence intra-cellule (SDMA: Spatial Division Multiple Access)
Terminaux multiples transmettant simultanément en utilisant la même ressource en fréquence

Interférence Intra-Cellule

Interférence Inter-Cellule

Scénario de Réception avec un Terminal Interférant très Puissant 331

332

83

06/10/2010

Antennes Multiples en Emission

Ordonnancement en LTE

• Comme alternative ou complément aux antennes multiples en réception, la diversité et la formation de voie peuvent être réalisées en utilisant des antennes multiples en émission • Utilisation d’antennes multiples à l’émission d’un grand intérêt pour le lien descendant, à la station de base
Opportunité de diversité ou de formation de voie sans avoir besoin d’antennes additionnelles et de chaînes de réception correspondantes au terminal

• En LTE les ressources temps-fréquence sont dynamiquement partagées entre les utilisateurs sur les liens montant et descendant • L’ordonnanceur fait partie de la couche MAC et contrôle l’allocation de ressources sur les liens montant et descendant • Les ordonnancements sur les liens montant et descendant sont séparés
Les décisions d’ordonnancement sur les liens montant et descendant peuvent être prises indépendamment l’une de l’autre (Dans les limites de partage lien montant/lien descendant pour le TDD) • La stratégie d’ordonnancement n’est pas spécifiée dans la norme • Le rôle d’un ordonnanceur est de prendre avantage des variations du canal entre les terminaux et ordonnancer les transmissions vers les terminaux sur des ressources avec conditions de canal avantageuses

333

Ordonnancement sur le Lien Descendant 1/6

334

Ordonnancement sur le Lien Descendant 2/6

• A chaque intervalle de 1 ms, l’ordonnanceur sur le lien descendant détermine dynamiquement les terminaux qui doivent recevoir des transmissions sur le lien descendant et sur quelles ressources • Des terminaux multiples peuvent être ordonnancés en parallèle
1 DL-SCH par terminal ordonnancé associé à un ensemble de ressources en fréquence • L’unité de base dans l’ordonnanceur est le ‘Resource Block’ • A chaque intervalle de 1 ms, l’ordonnanceur alloue des ‘Resource Blocks’ pour recevoir une transmission DL-SCH • L’ordonnanceur est responsable de la sélection de la taille du ‘Transport Block’, de la modulation et du ‘mapping’ d’antennes (en cas de transmission multi-antenne) 335

Ordonnanceur MAC (Lien Descendant)

336

84

06/10/2010

Ordonnancement sur le Lien Descendant 3/6

Ordonnancement sur le Lien Descendant 4/6

• Contrôle du débit par l’ordonnanceur
Affectation de la segmentation RLC et du multiplexage MAC par la décision d’ordonnancement • OFDM sur le lien descendant
L’ordonnanceur peut exploiter les variations dans les domaines fréquentiel et temporel • Remarque: Le HSDPA ne peut exploiter que le domaine temporel ! • Bandes larges supportées par le LTE
Evanouissements sélectifs en fréquence significatifs
Exploitation des variations du canal dans domaine fréquentiel plus importante que dans le domaine temporel • Faibles vitesses
Variations dans le domaine temporel relativement lentes comparées aux contraintes de délais de plusieurs services
Exploitation bénéfique des variations dans le domaine fréquentiel

• Information sur les conditions de canal sur le lien descendant, nécessaires à l’ordonnancement dépendant du canal
Envoi de CQI (Channel-Quality Indicator) au eNodeB par le terminal • Le CQI inclue des informations: – Sur la qualité instantanée du canal dans le domaine fréquentiel – Pour la détermination du traitement d’antenne approprié en cas de multiplexage spatial

• Le CQI est mesuré sur les signaux de référence sur le lien descendant • Remarque: La réciprocité de canal en TDD peut être exploitée par un ordonnanceur en complément du CQI • L’ordonnanceur doit aussi prendre en compte l’état de la mémoire tampon et des priorité dans les décisions d’ordonnancement

337

338

Ordonnancement sur le Lien Descendant 6/6

Ordonnancement sur le Lien Descendant 5/6

• La différence entre types de services et de souscriptions peut affecter les priorités d’ordonnancement: – Un utilisateur de Voix-sur-IP avec une souscription chère doit maintenir sa qualité de service même en cas de surcharge du système – Un utilisateur téléchargeant un fichier et ayant une souscription pas chère peut être satisfait par les ressources non utilisées pour supporter les autres utilisateurs

Sélection de Format de Transport sur le Lien descendant

• La coordination de l’interférence (Contrôle de l’interférence inter-cellule sur une base lente) fait partie de l’ordonnanceur • La coordination d’interférence n’est pas spécifiée dans la norme (Spécifique au constructeur) 339

340

85

06/10/2010

Ordonnancement, Adaptation de Lien & ARQ Hybride 1/3

Ordonnancement, Adaptation de Lien & ARQ Hybride 2/3

• Les communications radio mobiles présentent des variations rapides et significatives dans les conditions instantanées du canal:

• L’ordonnancement dépendant du canal assure le partage des ressources radio disponibles entre les différents terminaux:

– Sélectivités en fréquence et en temps
Variation rapide et aléatoire de l’atténuation du canal en fréquence et en temps – Effet de masque + Affaiblissement de parcours
Affectation significative de la puissance moyenne du signal reçu – Interférence au récepteur due aux transmissions dans les autres cellules et par les autres terminaux


Minimiser la quantité de ressources requises par utilisateur
maximiser le nombre d’utilisateurs dans le système – Satisfaire les exigences en terme de qualité de service

• L’adaptation de lien:

•
Nécessité de techniques permettant de traiter les variations instantanées de la qualité du lien radio: Ordonnancement dépendant du canal, Adaptation de lien & ARQ Hybride

– Est intimement liée à l’ordonnancement – Sélectionne les paramètres de transmission pour répondre aux variations de la qualité du lien radio


L’ordonnancement et l’adaptation de lien exploitent les variations du canal grâce à des traitements appropriés avant transmission des données

341

342

Ordonnancement, Adaptation de Lien & ARQ Hybride 3/3

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 1/8

• Nature aléatoire des variations de la qualité du lien radio
Impossibilité de s’adapter parfaitement à la qualité instantanée du lien radio
Utilité de l’ARQ Hybride qui demande la retransmission des paquets de données erronés • L’ARQ hybride :

• L’ARQ Hybride élimine tout paquet erroné et demande sa retransmission
Un paquet erroné éliminé contient pourtant des informations, perdue par élimination
Imperfection adressé par l’ARQ Hybride avec combinaison souple (Soft-Combining) • ARQ Hybride avec Combinaison Souple:

– Gère les variations instantanées de la qualité du lien radio après transmission
Complémente l’ordonnancement et l’adaptation de lien – Gère les erreurs aléatoires dues au bruit au récepteur 343

– Paquet reçu avec erreurs
Stockage dans une mémoire tampon
Combinaison avec la retransmission
Obtention d’un seul paquet combiné plus fiable que ses constituants
Décodage opérant sur le signal combiné – Echec du décodage (Détection d’erreurs par CRC)
Demande de retransmission 344

86

06/10/2010

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 2/8

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 3/8

• La retransmission en ARQ Hybride doit représenter le même ensemble de bits d’informations que la transmission originale
L’ensemble de bits codés envoyés à chaque retransmission peuvent être sélectionnés différemment du moment qu’ils représentent le même ensemble de bits d’information
‘Chase Combining’ ou ‘Incremental Redundancy’ selon que les bits retransmis sont identiques à la transmission originale ou non • Chase Combining: – Après chaque retransmission, le récepteur utilise le MRC (Maximum Ratio Combining) pour combiner chaque paquet avec les transmissions précédentes du même paquet – Le signal combiné est délivré au décodeur

– Chaque retransmission est une copie identique de la transmission originale
Retransmissions avec Chase Combining = Codage à répétition
Pas de gain de codage additionnel mais une augmentation du RSB accumulé

• Plusieurs variantes de Chase Combining existent: – Partial Chase Combining: Un sous-ensemble des bits émis dans la transmission originale sont retransmis – La combinaison est souvent faite après démodulation et avant décodage – La combinaison peut être faite au niveau symbole avant démodulation si la modulation ne change pas entre transmission et retransmissions

345

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 4/8

346

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 5/8 • Incremental Redundancy (IR): – Chaque retransmission n’a pas à être identique à la transmission originale – Plusieurs ensembles de bits codés sont générés, chacun représentant le même ensemble de bits d’information – Chaque fois qu’une retransmission est requise, la retransmission utilise un ensemble de bits codés différent de la transmission précédente – Le récepteur combine la retransmission avec les tentatives de transmissions précédentes du même paquet

Combinaison de Chase 347

348

87

06/10/2010

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 6/8

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 7/8

– La retransmission peut contenir des bits de parité additionnels non inclus dans les tentatives de transmission précédentes
Le rendement du code résultant est abaissé par chaque retransmission – Une retransmission n’a pas à comporter le même nombre de bits codés que la transmission originale – La modulation peut être différente pour les différentes retransmissions

•
L’Incremental Redundancy est une généralisation du Chase Combining •
Le Chase Combining est un cas particulier de l’Incremental Redundancy

• L’incrémental Redundancy est basé sur un code à faible rendement
– Les différentes versions de redondances sont générées par poinçonnage des sorties du codeur – A la 1ère transmission, un nombre limité de bits codés est transmis
Code à haut rendement – Aux retransmissions, des bits codés additionnels sont transmis

• Exemple: Code de rendement 1/4 – – – –

1ère transmission: 1 bit codé sur 3 transmis
Rendement = 3/4 1ère retransmission: 1 bit codé sur 3 transmis
Rendement = 3/8 2ème retransmission: 1 bit codé sur 3 transmis
Rendement = ¼ 3ème retransmission: Bits déjà transmis doivent être retransmis

349

ARQ Hybride avec Combinaison Souple 8/8

350

Ordonnancement Dépendant du Canal • L’ordonnancement contrôle l’allocation des ressources partagées entre les utilisateurs à chaque instant en temps • Les principes d’ordonnancement et les ressources partagées dépendent des caractéristiques de l’interface radio: – Lien montant ou lien descendant – Transmissions mutuellement orthogonales ou non

Redondance Incrémentale 351

352

88

06/10/2010

Ordonnancement sur le Lien Descendant 1/9

Ordonnancement sur le Lien Descendant 2/9 • Utilisation du FDM ou du CDM:

• Orthogonalité sur le lien descendant réalisée: – – – –

En temps (TDM: Time Division Multiplexing), En fréquence (FDM: Frequency Division Multiplexing), Par code (CDM: Code Division Multiplexing), ou Dans l’espace (SDM: Spatial Division Multiplexing)

–
Partage des ressources en temps/fréquence/code –
Partage de la puissance de transmission totale dans la cellule

• Utilisation du TDM:

• Le SDM est combiné avec le TDM, le FDM ou le CDM • Transmissions mutuellement orthogonales vers les différents terminaux dans une cellule
Pas d’interférence intra-cellulaire • Le trafic des paquets de données est souvent saccadé (bursty)


–
Une seule transmission à chaque instant
Pas de partage de la puissance totale de la cellule –
Maximisation de l’utilisation des ressources radio = Allocation des ressources à l’utilisateur présentant les meilleures conditions instantanées du canal: • Adaptation de lien par contrôle de puissance
Minimisation de la puissance transmise
Minimisation de l’interférence extracellulaire

– Combinaison du TDM avec le CDM (HSDPA) – Combinaison du TDM avec le FDM (LTE) 353

Ordonnancement sur le Lien Descendant 3/9

354

Ordonnancement sur le Lien Descendant 4/9

• Adaptation de lien par contrôle de débit
Maximisation du débit pour une puissance donnée
Maximisation de l’utilisation du lien pour une interférence extracellulaire donnée

• Ordonnancement TDM + Contrôle de puissance
Puissance totale dans la cellule souvent non utilisée complètement
Intérêt du contrôle de débit • Max-C/I (ou ‘Maximum Rate’): Ordonnancement de l’utilisateur présentant les meilleures conditions radio • Variations indépendantes des conditions radio des liens radio d’une cellule
Il existe toujours un lien radio dont la qualité de canal est proche de son pic Ordonnancement Dépendant du Canal 355

356

89

06/10/2010

Ordonnancement sur le Lien Descendant 5/9

Ordonnancement sur le Lien Descendant 6/9

•
Canal effectivement utilisé de haute qualité
Haut débit de données avec le contrôle de débit • Gain obtenu en transmettant vers l’utilisateur présentant des conditions favorables du lien radio = Diversité Multiutilisateur • Plus grandes sont les variations du canal + Plus grand est le nombre d’utilisateur = Plus grand est le gain • Max-C/I
Ordonnancement de l’utilisateur k donné par:

• Terminaux avec conditions moyennes de canal similaires (Moyen terme)
Même débit moyen pour tous les utilisateurs • Terminaux avec conditions moyennes de canal différentes (Distances différentes de la station de base et/ou Effets de masque différents)
Utilisateurs avec mauvaises conditions de canal jamais ordonnancés
Situation inacceptable pour la qualité de service
Round-Robin: Ordonnancement permettant à chaque utilisateur d’avoir son tour dans l’utilisation des ressources partagées
Ordonnancement Round-Robin:

•
Ordonnancement max-C/I bénéfique pour la capacité système •
Ordonnancement pas toujours équitable

– Equitable en terme de ressources allouées – Non équitable en terme de qualité de service
Plus de ressources doivent être données aux liens avec de mauvaises conditions 357

Ordonnancement sur le Lien Descendant 7/9

358

Ordonnancement sur le Lien Descendant 8/9 • Ordonnancement Round-Robin
Conditions instantanées de canal non prises en compte
Performance globale système plus faible que l’ordonnancement max-C/I
Nécessité d’une stratégie d’ordonnancement: – Capable d’utiliser les variations rapides du canal pour améliorer le débit global dans la cellule – Assurant un débit minimum pour tous les utilisateurs

• Un bon ordonnanceur doit opérer quelque part entre le max-C/I et le Round-Robin Max-C/I

Round-Robin


Essayer d’utilisation les variations rapides des conditions du canal
Satisfaire un certain degré d’équité entre utilisateurs

Proportional-Fair

3 Stratégies d’Ordonnancement pour 2 Utilisateurs avec Différentes Qualités Moyennes du Canal 359

360

90

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Ordonnancement sur le Lien Descendant 9/9

Canal PBCH

1/2

• Le Physical Broadcast Channel (PBCH):

• Proportional-Fair: Ordonnancement allouant les ressources partagées à l’utilisateur avec les meilleures conditions relatives du lien radio
L’utilisateur k est sélectionné selon:

• 2 raisons pour complémenter le TDM avec le FDM ou le CDM: – Quantité de données à transférer à un utilisateur pas suffisamment large pour utiliser la capacité totale du canal – Exploitation des variations en fréquence du canal à travers le FDM

• L’algorithme d’ordonnancement n’est pas spécifié dans la norme
Spécification des mesures/rapports de qualité de canal + Signalisation

– Transporte des informations systèmes nécessaires à l’accès au réseau (Paramètres RACH,…) – Occupe toujours une bande de 1.08 MHz (6 ‘Resource Blocks’)
Structure indépendante de la bande utilisée par le système – Utilise un codage convolutif (Rendement faible)

• L’information diffusée est partiellement transportée par le PBCH: – Le ‘Master Information Block’ est transporté par le PBCH – Les ‘System Information Blocks’ sont transportés par le PDSCH

361

Canal PBCH

2/2

362

MBMS

1/30

• L’intérêt des réseaux ‘broadcast’ et ‘multicast’ est la réception par plusieurs abonnés des mêmes données, envoyées en même temps et une seule fois par lien • Pour l’interface radio, le bénéfice est le coût en ressources radio est limité à ce qui est nécessaire pour une seule transmission dans une cellule donnée • Le MBMS (Multimedia Broadcast and Multicast Services) du 3GPP est composé de deux services distincts: Broadcast et Multicast • Un service Broadcast peut être reçu par n’importe quel terminal localisé dans la zone où le service est offert • Un service Multicast ne peut être reçu que par des terminaux ayant souscrit au service et rejoint un groupe multicast associé au service

Localisation au Centre de la Bande du PBCH (600 Sous-Porteuses = 9 MHz) 363

364

91

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MBMS

2/30

MBMS

3/30

• Le réseau ne connaît pas les terminaux recevant un service Broadcast et la durée pendant laquelle ils ont reçu le service:

• Les services Broadcast et Multicast: – Sont des transmissions unidirectionnels point-àmultipoint de données multimédia – Peuvent être utilisés pour diffuser du texte, de l’audio, des photos et de la vidéo:


L’opérateur ne peut pas appliquer des règles de facturation pour l’utilisateur final d’un service Broadcast
Seuls les fournisseurs de services Broadcast peuvent facturer en se basant sur la quantité de données diffusées, la taille de la zone de service ou la durée du service de diffusion

• A partir d’une même source BM-SC (Broadcast Multicast Service Center) • Vers un utilisateur localisé dans la zone de service (Broadcast Service) ou les membres d’un groupe multicast (Multicast Service)

• Le service Multicast nécessite une souscription et que l’utilisateur rejoigne explicitement un groupe pour recevoir le service
Il permet à l’opérateur de spécifier des règles de facturation pour le service 365

MBMS

4/30

366

MBMS

• Des applications typiques convenables pour le MBMS sont:

5/30

– 3- Téléchargement de Fichiers: • Téléchargement efficace de données pour une population large de terminaux • Mise à jour de logiciel (Codec ou plug-in d’une application du terminal), ou de liste de virus
Intérêt du service Multicast par rapport au service Broadcast

– 1- Streaming Audio/Video: • Tout type de distribution de messages d’information ou de publicité • Impose des contraintes de Qualité de Service en terme de bande, de délai et de jitter de transfert • Débits typiques de 32 kb/s à plus de 300 kb/s

– 2- Téléchargement Audio/Vidéo • Distribution de contenu multimédia pour une utilisation hors ligne • Transfert en temps réel non requis • Une bande suffisante doit être utilisée 367

– 4- Distribution du Texte et de l’Image: • Un débit maximum de l’ordre de 10 kb/s • Pas de contraintes spécifiques de temps-réel 368

92

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MBMS

6/30

MBMS

7/30

• ‘+’: L’architecture du service MBMS est basée sur un domaine cœur paquet (Packet Core)
Compatibilité avec l’EPC (Enhanced Packed Core) • ‘-’: Le MBMS ne fait pas partie des caractéristiques supportées par le Cœur Paquet
Nécessité de fonctionnalités additionnelles des nœuds appropriés pour l’établissement d’une session Broadcast ou Multicast et l’autorisation Multicast •
Création de 2 entités logiques réseau additionnelles: Le MCE et le MBMS GW Architecture Logique du MBMS

369

MBMS

8/30

MBMS

• Le MCE (Multi-cell/multicast Coordination Entity): – Est responsable de l’allocation de ressources en temps et en fréquence pour la transmission MBMS multi-cellule
Effectue l’ordonnancement sur l’interface radio – Peut être intégré dans le eNodeB
L’interface M2 devient une interface interne au eNodeB

• Le MBMS GW (Gateway): – – – –

370

9/30

• Le BM-SC (Broadcast Multicast Service Center) est l’entité fonctionnelle qui se charge de la fourniture de services à l’utilisateur
Le BM-SC sert de point d’entrée à un fournisseur de contenu ou tout réseau externe source de Broadcast/Multicast • Le BM-SC assure la fonction de: – Qualité de membre: Fourniture d’autorisations aux terminaux demandant l’activation d’un service MBMS – Session et de Transmission: Responsable de l’ordonnancement de sessions Broadcast et Multicast – D’annonce Service: Déclenchement de l’annonce de session MBMS – De Sécurité: Protection d’intégrité et de confidentialité des données MBMS

Est le point d’entrée du trafic Broadcast/Multicast entrant Diffuse les paquets aux eNodeB d’une zone de service Gère la session MBMS (Session Start et Session Stop) Rassemble les informations de facturations pour chaque terminal ayant une session MBMS active 371

372

93

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MBMS

10/30

• Deux interfaces sont définies à partir du BM-SC: SGmb et SGi-mb • L’interface SGmb:

MBMS

11/30

• L’interface SGi-mb

– Supporte toutes les procédures de signalisation MBMS entre le BM-SC et le MBMS GW: • Signalisation ‘Bearer’ MBMS pour l’établissement et la libération de contexte à l’établissement ou la terminaison de session MBMS • Support de la signalisation liée à l’utilisateur (Autorisation de session Multicast, Session Joining ou Session Detach)

– Est basée sur des extensions spécifiques au protocole Diameter définit par l’IETF

– Supporte le plan trafic MBMS – Introduit les interfaces: • M1: Associée aux données MBMS (Plan Utilisateur) et utilise le protocole IP Multicast pour délivrer les paquets au eNodeB • M3: Supporte la signalisation de la session de contrôle MBMS (Session Initiation et Session Termination) • M2: Utilisée par le MCE pour fournir au eNodeB des données de configuration

373

MBMS

12/30

374

MBMS

13/30

• Le TNL (Transport Network Layer): – Représente un protocole de transmission basée sur l’IP utilisée sur l’interfaces réseau – Sur l’interface M1 est basé sur l’IP Multicast
Permettre la livraison point-à-multipoint de données MBMS pour la transmission multi-cellule

• Le protocole SYNC, utilisé sur l’interface M1: – Permet la synchronisation de contenu dans le cas de transmission multi-cellule – Transporte des informations additionnelles permettant au eNodeB d’identifier la temps de transmission de la trame radio et détecter la perte de paquets

Architecture du Plan Utilisateur MBMS

• Remarque: Le MCE n’est pas représenté puisqu’il ne fait pas partie du chemin de transmission de données MBMS 375

376

94

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MBMS

14/30

MBMS

15/30

• En fonction du type de service, il existe 2 options pour le transfert de données: – Pour les services de Streaming: • Le transfert de données MBMS est basé sur RTP/RTCP (Real Time Protocol/Real Time Control Protocol) • Le protocole RTP/RTCP permet à l’entité réceptrice de générer l’information sur les temps des paquets pouvant être altérés par la transmission • Un block FEC (Forward Error Correction) est rajouté à chaque paquet de données RTP pour permettre la détection et la correction des erreurs côté récepteur
Reconstruction des portions manquantes des blocs source

Protocoles de Transport de Données MBMS (Vue Simplifiée) 377

MBMS

16/30

– Pour les services de téléchargement (Transfert de fichiers Images, Audio/Vidéo): • MBMS utilise le protocole FLUTE (File Delivery over Unidirectional Transport) • FLUTE est un protocole unidirectionnel de transfert de fichiers adapté à la transmission multicast • FLUTE offre un format générique pour la description des fichiers à transférer: FDT (File Delivery Table) • Le format FDT spécifie (entre autres) le nom, la taille et le type du fichier à transférer • La fiabilité de transfert des données est assurée par un FEC intégré avec FLUTE 379

378

MBMS

17/30

• Les applications de streaming et de téléchargement sont supportées par UDP/IP • MBMS se sert des protocoles: – 3GPP NAS (Non Access Stratum): Protocole de gestion de session paquet modifié pour permettre au terminal d’ouvrir un contexte MBMS (Equivalent au PDP Context) – 3GPP IGMP (Internet Group Management Protocol): Protocole de signalisation utilisé par les souscripteurs rejoignant ou quittant une session MBMS – IETF SDP (Session Description Protocol): Protocole utilisé pour la description de sessions MBMS 380

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• Le chiffrement en MBMS permet aux opérateurs et aux fournisseurs de contenu d’empêcher les abonnés non autorisés d’accéder gratuitement aux données • Les mécanismes de sécurité doivent être adaptés aux communications point-à-multipoint
Prévenir toute tentative de court-circuitage par échange de clés ou de mots de passes •
Les mécanismes de sécurité MBMS mettent en œuvre des structures de clés complexes et des mises à jour fréquentes de clés • La structure de clés MBMS est basée sur 3 différents types de clés: – MUK (MBMS User Key) – Un ensemble de MSK (MBMS Service Key) par MUK – Un ensemble de MTK (MBMS Traffic Key) par MSK

Evolution en Temps d’un Service MBMS 381

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• Contrairement aux communications point-à-point, la sécurité MBMS: – N’est pas appliquée sur un segment spécifique du chemin de la transmission (segment radio) – Est appliquée de bout-en-bout entre le BM-SC et les abonnés

• Les données de multicast sont protégées par une clé secrète symétrique (le MTK) partagée par l’émetteur (le BM-SC) et les récepteurs (les abonnés MBMS) • Pour ne pas compromettre la sécurité, la génération et la distribution de MTK suit un processus complexe: – Le terminal construit sa clé MUK à partir des clés CK (Ciphering Key) et IK (Integrity Key) stockées dans le USIM

Structure des Clés MBMS

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– Le réseau construit sa référence du MUK à partir des clés CK et IK stockées dans le HSS – Le MUK est utilisé par le terminal pour retrouver le MSK fourni par le BM-SC durant le processus d’autorisation – Les clés MSK et MTK générées par le BM-SC sécurisent les données MBMS:

Phases des Services MBMS

• Chaque MTK est utilisé pour chiffrer le bloc de données d’un flux de données unique (flux de streaming ou de téléchargement de données) • L’ensemble de MTK est transmis aux abonnés autorisés par le BM-SC d’une manière sécurisée, protégée par le MSK 385

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• Le service Multicast nécessite une souscription de l’utilisateur et des procédures d’autorisation permettant de prévenir l’accès aux non abonnés
Le service multicast est un sur-ensemble du service Broadcast • La phase de souscription, spécifique au Multicast, établit la relation entre l’utilisateur et le fournisseur de service ou de contenu: –
Permettre à l’utilisateur de recevoir le service Multicast –
L’USIM de l’abonné est mise à jour avec des informations MBMS (Clés de service et clés utilisateur)
Permettre à l’utilisateur de rejoindre des sessions Multicast et déchiffrer les données reçues 387

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386

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• La phase d’annonce de service, permet d’informer l’utilisateur des services MBMS disponibles • La phase d’adhésion (Joining Phase), spécifique au Multicast, permet aux abonnés d’indiquer leur volonté d’écouter un service spécifique • La phase de démarrage de session MBMS nécessite la réservation et l’établissement de ressources réseau pour supporter les ‘Bearers’ MBMS • La phase de notification MBMS est utilisée pour informer les utilisateurs des prochaines sessions MBMS • La phase de transfert de données permet le transfert de données MBMS au terminal 388

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• L’arrêt de session (Stop Session) permet la libération de ressources réseau précédemment allouées • La phase d’abandon (Leaving Phase) est une indication spécifique à l’utilisateur qu’il n’a plus besoin de poursuivre la session • Le E-UTRAN offre plusieurs options pour le déploiement de services MBMS:

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• Il peut y avoir 2 types de transmission de données MBMS dans le E-UTRAN: – Transmission Mono-Cellule: Données MBMS disponibles uniquement sous la couverture d’une seule cellule – Transmission Multi-Cellule: Transmission synchronisée des données MBMS dans les différentes cellules
Le terminal combine les signaux provenant des différentes cellules pour améliorer son Rapport Signal sur Bruit (RSB)

– Réservation de ressources spécifiques aux transmissions MBMS
Les cellules utilisant ces ressources offrent uniquement des services MBMS
Pas de support de services unicast – Pas de réservation de ressources spécifiques aux transmissions MBMS
Les cellules offrent des services MBMS et unicast simultanément 389

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• La facturation MBMS a 2 objectifs: – Rassembler des informations de facturation liées aux abonnés recevant les services MBMS
Application aux services Multicast nécessitant une phase d’autorisation – Rassembler des informations sur le contenu et les fournisseurs de contenu utilisant le MBMS

• Le BM-SC est considéré comme Serveur d’Application par le CDF (Charging Data Function)
Le BM-SC envoie des informations de facturation au CDF sur l’interface Rf en utilisant le protocole Diameter • Le CDF génère des CDR (Charging Data Record) utilisés comme base pour la facturation effective

CDF: Charging Data Function, CGF: Charging Gateway Function, BD: Billing Domain Architecture de Facturation (Rappel)

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• Pour pouvoir facturer les abonnés et les fournisseurs de contenu, 2 formats différents de CDR sont définis • Le CDR permet à l’opérateur de facturer sur la base de la taille de la zone Broadcast/Multicast, de la Qualité de Service requise (débit), de la quantité de données envoyées, du nombre d’abonnés, … • La facturation MBMS est déclenchée par des événements typiques: Etablissement et terminaison de sessions MBMS (Messages de Session Start et de Session Stop liées à l’allocation et à la libération de ressources du réseau) et autorisation réussie d’utilisateurs 393

VI. Couche physique pour le lien montant 394

Ressources Physiques sur le Lien Montant 1/9

•Principes du SC-FDMA •Design de la couche physique UL •Signaux de référence UL •Canaux physiques usager et contrôle •Capacité et couverture UL •Accès aléatoire •Procédures de transmission UL

• La transmission sur le lien montant est basée sur le DFTS-OFDM (Discrete Fourier Transform SpreadOFDM) • Le DFTS-OFDMA est une technique de transmission mono-porteuse (‘Single-carrier’): – A faible PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) – Permet une allocation flexible de bande – Permet un accès multiple orthogonal dans les domaines temporel et fréquentiel

•
Le DFTS-OFDMA s’appelle aussi SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) 395

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Ressources Physiques sur le Lien Montant 2/9

Ressources Physiques sur le Lien Montant 3/9 • La taille de la DFT détermine la bande instantanée du signal transmis • Le ‘mapping’ en fréquence détermine la position du signal transmis à l’intérieur du spectre disponible • Un préfixe cyclique est inséré pour chaque bloc traité
Possibilité d’appliquer une égalisation à faible complexité dans le domaine fréquentiel • La DFTS-OFDM peut être localisée ou distribuée: La transmission en LTE est localisée
Le ‘mapping’ en fréquence fait correspondre les sorties du DFT à des entrées consécutives de l’IFFT • D’un point de vue complexité, la taille M de la DFT doit être une puissance de 2

Structure de Base de la Transmission DFTS-OFDM

• Une DFT de taille M est appliquée à un bloc de M symboles • La sortie de la DFT est appliquée à un sous-ensemble des entrées de l’IFFT de taille N 397

Ressources Physiques sur le Lien Montant 4/9

398

Ressources Physiques sur le Lien Montant 5/9

• Pour un maximum de flexibilité, toutes les valeurs de M doivent être permises • LTE a adopté une solution intermédiaire: La taille M de la DFT est limitée à un produit de 2, 3 et 5
DFT implémentée comme combinaison de FFTs radix-2, radix-3 et radix-5 à faible complexité

• Les paramètres de base du lien montant du LTE sont autant que possible alignés avec ceux du lien descendant: – Espacement entre sous-porteuses ∆f = 15 kHz – ‘Resource Blocks’ constitués de 12 sous-porteuses

• Contrairement au lien montant, la sous-porteuse DC n’est pas utilisée sur le lien montant parce que:

Structure dans le Domaine Fréquentiel du Lien Montant

399

– La présence d’une sous-porteuse DC dans le centre du spectre rend impossible l’allocation de la bande entière à un seul mobile tout en conservant la propriété de faible PAPR – Le pré-codage DFT étale l’effet de l’interférence DC sur les M symboles d’un bloc le rendant moins critique que pour une transmission OFDM normale 400

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Ressources Physiques sur le Lien Montant 6/9

Ressources Physiques sur le Lien Montant 7/9

•
Le nombre total de sous-porteuses sur le lien montant vaut Nsc = 12*NRB •
La couche physique sur le lien montant offre beaucoup de flexibilité en termes de bande système: Tout nombre de ‘Resource Blocks’ à partir de 6 • La structure en temps du lien montant est très similaire à celle du lien descendant: – Chaque sous-trame est composée de deux slots de durée Tslot = 0.5 ms – Chaque slot est constitué d’un nombre de blocs DFT incluant un préfixe cyclique – Deux durées du préfixe cyclique: Normal et étendu 401

Structures de Sous-Trame et de Slot : Chaque Sous-Trame est Constituée de 2 Slots, Chaque Slot est Constitué de 6 ou 7 Blocks DFTS-OFDM

402

Ressources Physiques sur le Lien Montant 8/9

Ressources Physiques sur le Lien Montant 9/9

• Contrairement au lien montant, les ‘Resource Blocks’ attribués au terminal sur le lien montant doivent être consécutifs dans le domaine fréquentiel • Pareil qu’en lien descendant, un ‘Resource Block’ sur le lien montant est composé de 12 sous-porteuses DFTS-OFDM durant un slot de 0.5 ms

• Du saut en fréquence inter-slot peut être appliqué sur le lien montant
Les ressources physiques utilisées sur les 2 slots n’occupent pas les mêmes sous-porteuses • La bande de transmission RF du terminal couvre entièrement le spectre sur le lien montant
Le saut en fréquence revient à changer le ‘mapping’ DFT-IFFT • Le saut en fréquence offre deux avantages: Diversité de fréquence et Diversité d’interférence

RB: Resource Block

Allocation de Ressources sur le Lien Montant

Saut en Fréquence sur le Lien Montant 403

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Signaux de Référence sur le Lien Montant 1/12

Signaux de Référence sur le Lien Montant 2/12

• Les signaux de référence sont aussi utilisés en lien montant pour estimer le canal et permettre une démodulation cohérente au eNodeB • Techniques de transmission différentes sur les liens montant et descendant + Importance du faible PAPR sur le lien montant
Principe de signaux de référence différents sur les lien montant et descendant • Faible PAPR
Multiplexage des symboles de référence et de données du même terminal impossible
Signaux de référence et de données multiplexés en temps • Les signaux de référence sur le lien montant sont transmis: 4ème

– Au bloc de chaque slot – Avec une bande égale à la bande de transmission de données

Signaux de Référence sur le Lien Montant Insérés au 4ème Bloc de Chaque Slot (Préfixe Cyclique Normal)

• Saut en fréquence peut être appliqué
Transmission des deux slots sur des fréquences éloignées
Interpolation entre les deux blocs de symboles de référence impossible

405

Signaux de Référence sur le Lien Montant 3/12

406

Signaux de Référence sur le Lien Montant 4/12

• Implémentation d’un signal de référence = Génération d’une séquence de référence XRS(k) de longueur MRS, correspondant à la bande allouée + Appliquer à une IFFT + Insertion d’un préfixe cyclique

• Les signaux de référence sur le lien montant doivent avoir: – Une amplitude constante ou quasi-constante en temps
Faible PAPR – Une bonne auto-corrélation en temps
Estimation de canal précise

•
Utilisation de séquences CAZAC (Constant-Amplitude Zero-Auto-Correlation) • Séquences CAZAC utilisées de Zadoff-Chu de longueur MZC: où est u est l’indice de la séquence Génération dans le Domaine Fréquentiel des Signaux de référence du Lien Montant 407

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Signaux de Référence sur le Lien Montant 5/12

Signaux de Référence sur le Lien Montant 6/12

• Le nombre de séquences de Zadoff-Chu de longueur MZC est égal au nombre d’entiers u premiers avec MZC
Pour maximiser le nombre de séquences de Zadoff-Chu, des longueurs MZC premières sont préférées • Les signaux de référence en lien montant doivent avoir une longueur MRS multiple de 12 (Taille du ‘Resource Block’)
Les séquences de Zadoff-Chu ne peuvent pas être directement utilisées •
Les séquences de référence sur le lien montant sont dérivées à partir de séquences de Zadoff-Chu de longueur première, en utilisant: – Méthode 1: Troncature des séquences de Zadoff-Chu de longueur première MZC juste au dessus de MRS – Méthode 2: Extension cyclique des séquences de Zadoff-Chu de longueur première MZC juste en dessous de MRS

Méthodes de Génération des Signaux de Référence sur le Lien Montant à Partir de Séquences de Zadoff-Chu de Longueurs Premières: Plusieurs Symboles Peuvent être Tronqués -Méthode 1- ou Etendu Cycliquement -Méthode 2409

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Signaux de Référence sur le Lien Montant 7/12

Signaux de Référence sur le Lien Montant 8/12

• Chaque terminal émet sur une ressource (Certaines sous-porteuses durant une sous-trame) dans une cellule + Transmissions simultanées sur le lien montant sur la même ressource dans une cellule voisine
Risque potentiel d’interférences entre signaux de références •
Les signaux de référence de cellules voisines doivent être basées sur des séquences de Zadoff-Chou différentes • Pour éviter une planification complexe des cellules, le nombre de signaux de référence ne doit pas être petit
Utilisation de séquences de Zadoff-Chu de longueurs premières

• L’ordonnancement en temps et en fréquence dépendant du canal est une technologie clé en LTE • L’ordonnancement sur le lien montant dépendant du canal peut augmenter le débit de données et réduire l’interférence aux autres cellules en ordonnant au terminal de transmettre sur les bandes de fréquence de bonne qualité • Pour effectuer un ordonnancement dépendant du canal, une estimation de la qualité en fréquence du canal est requise • Remarque: Sur le lien descendant, le terminal mesure la qualité des signaux de référence occupant la bande entière du lien descendant et reporter la qualité de canal estimée au eNodeB avec des CQI (Channel Quality Indicator)

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Signaux de Référence sur le Lien Montant 9/12

Signaux de Référence sur le Lien Montant 10/12

• Les signaux de référence utilisés pour la démodulation cohérente sur le lien montant sont transmis uniquement sur la bande dynamique allouée à chaque mobile
Les signaux de référence ne peuvent pas être utilisés par le eNodeB pour estimer la qualité de canal sur la bande entière en lien montant
Pour pouvoir ordonnancer les terminaux sur le lien montant, des signaux de référence additionnels à large bande sont utilisés
Utilisation de signaux de référence de sondage de canal • Les signaux de référence de sondage de canal sont: – Basés sur des séquences de Zadoff-Chu de longueurs premières – Transmis dans un block DFTS-OFDM complet

• Contrairement aux signaux de référence de démodulation, les signaux de référence de sondage de canal: – Occupent des bandes plus larges que les ressources allouées au terminal – Sont transmis même si le terminal n’a pas de ressources pour transmettre sur le UL-SCH – N’ont pas besoin d’être transmis fréquemment (moins d’une fois par sous-trame) – Peuvent être transmis de terminaux multiples dans la même bande en fréquence

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Signaux de Référence sur le Lien Montant 11/12

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Signaux de Référence sur le Lien Montant 12/12

• Le eNodeB réserve explicitement des blocks dans la soustrame pour la transmission des signaux de référence de sondage de canal
Ces blocks ne sont plus utilisables par le UL-SCH

• Les blocs réservés à la transmission des signaux de référence de sondage de canal sont à partager entre plusieurs terminaux
– Méthode 1: Partage en temps - Transmission sur chaque Nème soustrame – Méthode 2: Partage en fréquence - Transmission sur chaque Nème sous-porteuse – Méthode 3: Partage par utilisation de décalages cycliques de la même séquence de Zadoff-Chu (Les décalages doivent être supérieurs à la dispersion en temps du canal)

• Une combinaison des trois méthodes peut être utilisée pour partager les ressources réservées à la transmission de signaux de référence de sondage

Transmission de Signaux de référence pour le Sondage de Canal 415

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Traitements du Canal de Transport sur le Lien Montant 1/3

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Montant 2/3 • Il n’y a pas de multiplexage spatial sur le lien montant
Un seul ‘Transport Block’ de taille dynamique transmis dans chaque TTI • Insertion CRC : (Pareil qu’en lien descendant) Un CRC est calculé et rajouté au ‘Transport Block’ • Codage de canal: Utilise le même code turbo et le même entrelaceur interne que pour le lien descendant • Fonctionnalité Hybrid-ARQ de la couche physique : Pareil que la fonctionnalité Hybrid-ARQ sur le lien descendant
Extraction des bits à transmettre à chaque instant de transmission/retransmission.

Traitement du Canal de Transport sur le Lien Montant

417

Traitements du Canal de Transport sur le Lien Montant 3/3 • Embrouillage niveau bit : (Pareil qu’en lien descendant) – Permet de rendre aléatoire l’interférence et d’assurer un gain de traitement complet par le code de canal – Spécifique à chaque terminal
Des terminaux mobiles différents utilisent des séquences d’embrouillage différentes

• Modulation : (Pareil qu’en lien descendant) – Transforme un bloc de bits codés/embrouillés en un bloc de symboles complexes – Modulations utilisées: QPSK (2 bits/symbole), 16-QAM (4 bits/symbole) et 64-QAM (6 bits/symbole)

• Le bloc de symboles modulé est appliqué au traitement DFTS-OFDM 419

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 1/8 • La signalisation de contrôle L1/L2 est utilisée en lien montant pour assurer la transmission des canaux de transport DL-SCH et UL-SCH • La signalisation de contrôle L1/L2 comprend: – Les acquittements Hybrid-ARQ des ‘Transport Blocks’ reçus sur le DL-SCH – Un CQI (Channel Quality Indicator) indiquant la qualité en temps et en fréquence du canal sur le lien descendant estimée par le terminal
Utilisation par le eNodeB pour un ordonnancement et un contrôle de débit dépendant du canal – Des requêtes d’ordonnancement indiquant que le terminal a besoin de ressources pour la transmission UL-SCH 420

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 2/8 • Le terminal suit toujours les commandes d’ordonnancement du eNodeB
Le eNodeB connaît à l’avance le ‘Transport Format’ utilisé pour la transmission UL-SCH
Pas de signalisation sur le lien montant indiquant le format de transport du UL-SCH au eNodeB • Remarque : (Pour les mêmes raisons) Pas de signalisation explicite d’informations sur le lien montant liée au Hybrid-ARQ sur le UL-SCH • Le eNodeB reçoit la signalisation de contrôle L1/L2 de la part de chaque terminal : – Le CQI est régulièrement transmis à des instants prédéfinis connus par le eNodeB – Les acquittements Hybrid-ARQ sont transmis à des instants bien définis relativement aux transmissions correspondants sur le DL-SCH

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 1/20 •
Le eNodeB peut extraire la partie canal de transport et la partie de contrôle L1/L2 avant d’appliquer des décodages séparés de chaque partie • Le contrôle de signalisation Couche 1/Couche 2 (L1/L2) est divisé en deux classes en LTE : – Signalisation de contrôle en l’absence de données sur le lien montant, à travers le PUCCH (Physical Uplink Control Channel) – Signalisation de contrôle en présence de données sur le lien montant, à travers le PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)

• A cause des limitations dues à la porteuse unique, la transmission simultanée du PUCCH et du PUSCH n’est pas permise

421

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 2/20 • Le PUCCH est une ressource partagée en fréquence et en temps réservée exclusivement aux terminaux transmettant uniquement des signaux de contrôle L1/L2 • Le PUCCH est optimisé pour un nombre important de terminaux simultanés avec un nombre relativement bas de bits de signalisation de contrôle • Le PUSCH transporte des signaux de contrôle L1/L2 lorsque le terminal a été ordonnancé pour la transmission de données • Le PUSCH est capable de transmettre des signaux de contrôle en utilisant plusieurs tailles • Les champs de données et de contrôle (ACK/NACK, CQI) sont séparés en temps (TDM: Time Division Multiplexing) 423

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 3/20 • Plusieurs taux de codage pour le contrôle sont utilisés en occupant un nombre différent de symboles pour chaque champ de contrôle • Il existe deux types de signalisation de contrôle L1/L2: – Signalisation associée aux données transmises sur le lien montant: Non utilisée en LTE car le terminal obéit aux directives d’ordonnancement sur le lien montant reçues du eNodeB – Signalisation non associée aux données (ACK/NACK pour les données transmises sur le lien descendant, CQI du lien descendant, Requêtes d’ordonnancement pour transmission sur le lien montant)

• Le PUCCH est constitué d’une ressource en fréquence (1 ‘Resource Block’ de 12 sous-porteuses) et d’une ressource en temps (1 sous-trame de 1 ms) 424

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 4/20 • Les ressources allouées au contrôle L1/L2 sont localisées sur les bords de la bande allouée au lien montant • Un saut en fréquence slot-par-slot entre les bords de la bande est utilisé pour offrir de la diversité en fréquence à la signalisation de contrôle • La localisation des ressources de contrôle L1/L2 aux bords de la bande allouée sur le lien montant: – Permet de maximiser la diversité en fréquence procurée à la signalisation de contrôle L1/L2 – Evite de fragmenter le spectre sur le lien montant
Possibilité d’allouer des bandes de transmission larges à un terminal tout en garantissant la propriété de porteuse unique à faible PAPR sur le lien montant

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 5/20 •

Si le terminal n’a pas de ressources allouées pour la transmission sur le ULSCH, les informations de contrôle L1/L2 (CQI, Acquittements HybridARQ, Requêtes d’ordonnancement) sont transmises sur des ressources spécifiquement allouées au contrôle L1/L2 sur le lien montant (PUCCH)

Structure des Ressources à Utiliser par la Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant en Cas de Transmission non Simultanée UL-SCH 425

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 6/20 • Si plusieurs ressources sont nécessaires pour le contrôle L1/L2 (Bande de transmission large servant plusieurs utilisateurs) des ‘Resource Blocks’ additionnels sont alloués à côté des anciens ‘Resource Blocks’

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 7/20 • Les terminaux sont séparés sur le PUCCH en utilisant: – Un multiplexage par division en fréquence (FDM: Frequency Division Multiplexing): Utilisé uniquement entre ‘Resource Blocks’ – Un multiplexage par division en code (CDM: Code Division Multiplexing): Utilisé à l’intérieur d’un ‘Resource Block’

• Deux façons de réaliser le CDM à l’intérieur d’un ‘Resource Block’: – CDM par décalages cyclique de séquences CAZAC (Constant Amplitude Zero Auto-Correlation) – CDM par étalement block-par-block avec des séquences orthogonales (Orthogonal Cover Sequences) Ressources PUCCH 427

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 8/20

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 9/20

• Les séquences CAZAC, de longueur 12 (1 ‘Resource Block’), sont modulées en BPSK (1 bit/séquence) ou QPSK (2 bits/séquence) • Des terminaux différents peuvent être multiplexés dans une ressource temps/fréquence en leur allouant des décalages cycliques différents de la séquence CAZAC
Les séquences CAZAC décalés cycliquement prennent en charge le CDM et le transfert de l’information de contrôle
Il y a 6 canaux parallèles si un décalage cyclique sur deux est utilisé Diagramme en Block de la Modulation de la Séquence CAZAC (Appliquée au CQI) 429

RS: Reference Symbol

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 10/20 •

•

A/N: ACK/NACK RS: Reference Symbol SF: Spreading Factor

Principe d’Etalement Block-par-Block (Appliqué au ACK/NACK, SF=4)

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 11/20 •

L’étalement block-par-block augmente la capacité de multiplexage du PUCCH par un facteur égal au facteur d’étalement

•

431

430

Des opérations d’étalement block-par-block séparées sont effectuées pour les signaux de référence et les informations ACK/NACK Les informations ACK/NACK utilisent un facteur d’étalement (SF: Spreading Factor) de 2 ou 4 et des codes de Walsh-Hadamard Les signaux de référence utilisent un facteur d’étalement de 3 et des codes DFT (Discrete Fourier Transform)

Formats PUCCH

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 12/20 • Format 1/1a/1b du PUCCH: Basé sur un étalement combiné par séquence CAZAC et bloc-par-bloc
1 bit (BPSK) ou 2 bits (QPSK) par slot • Format 2/2a/2b du PUCCH: Basé sur un étalement par séquence CAZAC
5 symboles QPSK /slot
20 bits codés/sous-trame • Avec le format 2/2a/2b, les données CQI sont codées avec un code en bloc de Reed-Muller poinçonné (20, K) • Deux approches sélectionnées pour la signalisation ACK/NACK et CQI sur le PUCCH avec le format 2a/2b:

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 13/20 •

•

Le LTE supporte un mécanisme de requête d’ordonnancement rapide sur le lien montant pour un terminal actif (RRC_CONNECTED) n’ayant pas d’allocation sur le PUSCH Le terminal indique le besoin d’avoir des ressources sur le lien montant en transmettant un SRI (Scheduling Request Indicator)

– Préfixe cyclique normal: ACK/NACK modulée sur le second signal de référence du CQI – Préfixe cyclique étendu: ACK/NACK et CQI conjointement codés Procédure de Requête d’Ordonnancement 433

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 14/20 • •

Le PUSCH transporte la signalisation de contrôle L1/L2 sur le lien montant en présence de données sur le lien montant La signalisation de contrôle utilise des ressources de contrôle dédiées disponibles uniquement dans les sous-trames où le terminal a été ordonnancé pour transmettre des données sur le PUSCH

Multiplexage de Données et de Signalisation de Contrôle L1/L2 en Cas de Transmission Simultanée du UL-SCH et du Contrôle L1/L2 435

434

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 15/20 • Pour maintenir les propriétés de porteuse unique (SC: Single Carrier), les symboles de données et de contrôle sont multiplexés avant DFT •
Les champs de données et des différents contrôle (ACK/NACK, CQI, PMI (Precoding Matrix Indicator), RI (Rank Indicator)) sont codés et modulés séparément avant multiplexage dans le même bloc symbole SC-FDMA • Le multiplexage et la taille des différents signaux de contrôle L1/L2 varie d’une sous-trame à l’autre • Le terminal et le eNodeB connaissent le nombre de symboles réservés pour la partie contrôle
La partie données est poinçonnée par le nombre de symboles de contrôle alloués dans une sous-trame donnée 436

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Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 16/20

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 17/20 • La signalisation de contrôle est présente sur les slots d’une soustrame
Le canal de contrôle bénéficie du saut en fréquences lorsqu’il est appliqué • Le ACK/NACK est placé à la fin des symboles SC-FDMA de part et d’autre des signaux de références (2 symboles SC-FDMA par slot) • Le RI est placé dans les symboles SC-FDMA de part et d’autre du ACK/NACK • Le CQI/PMI est placé au début des symboles SC-FDMA et étalés sur les symboles SC-FDMA disponibles • Le CQI/PMI utilise la même modulation que les données • Le ACK/NACK et le RI utilisent les points de constellation extrêmes pour les modulations 16-QAM et 64-QAM

Allocation des Champs de Données et des Différents Contrôles sur le PUSCH 437

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 18/20

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 19/20 – Technique retenue: Appliquer un codage à rendement variable pour les symboles d’information
Variation du nombre de symboles codés pour la transmission du canal de contrôle

• 4 approches de codage sont utilisées pour les signaux de contrôle transmis sur le PUSCH: – – – –

438

Codage à répétition: 1-bit ACK/NACK Codage simplexe: 2-bit ACK/NACK/RI Codes en bloc de Reed-Muller (32, K): CQI/PMI < 11 bits Codage convolutif 1/3 avec tail-biting: CQI/PMI ≥ 11 bits

• Le contrôle de puissance fixe la cible du SINR sur le PUSCH par rapport au canal de données
Le canal de contrôle doit s’adapter au point opérationnel du SINR des données: – Technique non retenue: Appliquer des niveaux de puissance différents pour la partie données et la partie contrôle
Les propriétés de porteuse unique sont partiellement détruites

439

• La taille des ressources physiques allouées à la transmission du contrôle dépend de la qualité du PUSCH
Le rendement de codage de la signalisation de contrôle donné implicitement par le MCS (Modulation and Coding Scheme) des données sur le PUSCH • Un paramètre ‘Offset’ semi-statique lié à l’ajustement du rendement du code du canal de contrôle est utilisé pour atteindre le point d’opération du B(L)ER du type de signalisation de contrôle • L’ ‘Offset’ est un paramètre configuré par la signalisation couches hautes 440

110

06/10/2010

Signalisation de Contrôle L1/L2 sur le Lien Montant 20/20 • Chaque canal de contrôle possède son paramètre d’ ‘Offset’ propre • La configuration des paramètres d’ ‘Offset’ doit tenir compte: – Du point d’opération du BLER du canal de données du PUSCH – Du point d’opération du B(L)ER du canal de contrôle L1/L2 – De la différence en gain de codage entre parties contrôle et données (Techniques de codage différentes, Tailles de blocs de codage différents)

• Le HARQ est uniquement utilisé pour la partie données
Différence entre points d’opération du BLER des parties de données et contrôle • Les valeurs les plus grandes pour l’ ‘Offset’ sont utilisées pour les signaux ACK/NACK non codés

Avance en Temps sur le Lien Montant 1/4 • La transmission DFTS-OFDM sur le lien montant assure l’orthogonalité intra-cellule
Les transmissions reçues de terminaux différents ne causent pas d’interférence les unes aux autres • Pour assurer l’orthogonalité sur le lien montant, les signaux transmis des différents mobiles doivent arriver approximativement alignés en temps (Dans une fraction du préfixe cyclique)
Nécessité d’un mécanisme d’avance en temps • L’avance en temps est un décalage négatif, au terminal, entre le début d’une sous-trame reçue sur le lien descendant et une sous-trame émise sur le lien montant • En fixant convenablement l’avance en temps de chaque terminal, le eNodeB peut contrôler le temps d’arrivée de ses signaux reçus

441

442

Avance en Temps sur le Lien Montant 3/4

Avance en Temps sur le Lien Montant 2/4

• Les terminaux éloignés du eNodeB présentent un délai de propagation élevé
Ils doivent commencer leurs transmission en avance par rapport à des terminaux proches du eNodeB • L’avance en temps pour chaque terminal est déterminée par le eNodeB à partir de mesures sur les transmissions respectives sur le lien montant • Le eNodeB peut exploiter les transmissions régulières de CQI sur le lien montant en l’absence de données transmises d’un terminal spécifique
Le terminal peut immédiatement commencer une transmission de données orthogonale sur le lien montant sans avoir besoin de phase de réalignement en temps Avance en Temps (‘Time Advance’) sur le Lien Montant

443

444

111

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Avance en Temps sur le Lien Montant 4/4

Accès Initial

• Des mesures sur le lien montant permettent au eNodeB de déterminer la correction en temps pour chaque terminal
Si l’avance en temps d’un terminal nécessite une correction, le eNodeB envoie une commande (une à quelques fois par seconde) pour ce terminal lui demandant de retarder ou d’avancer ses émissions relativement aux émissions courantes • Si le terminal ne transmet rien sur le lien montant pour une période longue, l’alignement en temps peut être perdu
Le redémarrage de la transmission de données doit être précédé par une phase explicite de réalignement en temps
utilisation de l’accès aléatoire pour restaurer l’alignement en temps sur le lien montant

1/2

• La procédure d’accès initial utilise la procédure d’accès aléatoire (‘Random Access’) pour établir une connexion RRC avec le réseau • Le terminal doit s’assurer qu’il peut accéder au réseau à travers la cellule sélectionnée
Notion de classes d’accès (‘Access Classes’) • L’objectif des classes d’accès est de limiter l’accé au réseau sous certaines conditions: – Charge exceptionnelle du réseau – Conditions d’urgence (Priorité donnée aux services d’urgence)

• Il existe 16 classes d’accès • Chaque cellule diffuse sur le BCCH la liste de classes barrées

445

Accès Initial

2/2

446

Accès Aléatoire

• Les classes de 0 à 9 correspondent aux classes publiques
Chaque abonné est alloué aléatoirement une de ces classes (dans le USIM) • Certains abonnés peuvent être alloués une des classes spécifique (11 à 15) allouées aux utilisateurs prioritaires
Possibilité d’initier un appel lorsque les classes publiques sont barrées • La classe 10 correspond aux appels d’urgence
Si la classe 10 est autorisée, tous les terminaux peuvent initier un appel d’urgence • Lorsque la charge de réseau augmente, l’opérateur peut barré quelques classes publiques d’une cellule ou d’un groupe de cellules • L’état de la cellule (‘Barred’ ou ‘Reserved’) concerne la sélection de cellule alors que la restriction de classes d’accès concernent l’accès au réseau 447

1/4

• La procédure d’accès aléatoire permet au terminal d’accéder au réseau • Catégories d’accès aléatoire: – Accès initial à partir de l’état RRC-IDLE (Terminal désirant établir une connexion avec le réseau, Enregistrement initial, Tracking Area Update) – Durant la procédure de ‘handover’ – Arrivée de paquets sur les liens montant et descendant en mode RRCCONNECTED: • Perte de synchronisation (Cycle DRX long) • Absence de ressources allouées sur le lien montant

• Criticité de la procédure d’accès aléatoire: Collisions
Délais d’établissement d’appels et de transfert de paquets élevés 448

112

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Accès Aléatoire

2/4

Accès Aléatoire

3/4

• Il existe 2 types de procédures d’accès aléatoire: – Procédure avec contention – Procédure sans contention (handover)

• Le procédure d’accès aléatoire comporte 4 étapes: Procédure d’Accès Aléatoire

– 1°) Transmission d’un préambule permettant au eNodeN d’estimer le retard de en temps de la transmission du terminal (Sans synchronisation sur le lien montant, le terminal ne peut pas transmettre des données) – 2°) Le eNodeB transmet en même temps: • L’avance en temps pour ajuster le temps de transmission du terminal
Synchronisation du terminal sur le lien montant • L’allocation de ressources à utiliser par le terminal pour la 3ème étape

449

Accès Aléatoire

4/4

450

Accès Aléatoire avec Contention 1/4

– 3°) Transmission de l’identité du terminal au réseau en utilisant le UL-SCH (Le contenu exact de la signalisation dépend de l’état du terminal: Connu ou pas connus du réseau) – 4°) Transmission d’un message de résolution de contention au terminal sur le DL-SCH (Résolution de la contention de plusieurs terminaux essayant d’accéder au réseau dans la même ressource d’accès aléatoire)

• Remarques: – Seule la première étape utilise le traitement de la couche physique propre à l’accès multiple – Les 3 dernières étapes utilisent les mêmes traitements de la couche physique que les canaux normaux de transmission de données

Procédure d’Accès Aléatoire avec Contention 451

452

113

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Accès Aléatoire avec Contention 2/4

Accès Aléatoire avec Contention 3/4

• Le préambule d’accès aléatoire (‘Random Access Preamble’): – Est transmis sur le canal de transport RACH – Contient une identité aléatoire de 5 bits – La séquence du préambule est choisie aléatoirement par le terminal parmi la liste diffusée par le eNodeB sur le BCH

• La réponse d’accès aléatoire (‘Random Access Response’) contient:

• La réponse d’accès aléatoire permet de minimiser le temps d’établissement d’une connexion RRC en allouant très tôt des ressources • Le C-RNTI (Radio Network Temporary Identifier): – Est alloué par le eNodeB – Identifie de manière unique le mobile ayant une connexion RRC dans le réseau d’accès

• La transmission programmée (‘Scheduled transmission’):

– L’identité aléatoire fournie par le terminal – Un C-RNTI temporaire – Une allocation de ressources pour transmettre le ‘Scheduled transmission’ sur le canal de transport partagé

– Est un message ‘RRC Connection Request’ – Peut contenir un premier message NAS (demande service, Attachement initial, Tracking Area Update) 453

Accès Aléatoire avec Contention 4/4

454

Accès Aléatoire sans Contention 1/2

• Le message ‘Contention Resolution’: – N’est pas lié au ‘Scheduled transmission’ – A pour rôle d’identifier le terminal gagnant au cas ou des terminaux multiples ont demandé l’accès aux mêmes ressources en même temps – Est envoyé très tôt pour minimiser la latence pour les terminaux non retenus Procédure d’Accès Aléatoire sans Contention 455

456

114

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Accès Aléatoire sans Contention 2/2

Accès Aléatoire (1ère Etape)

• La procédure d’accès aléatoire sans contention est utilisée: – Lorsque le eNodeB a une référence pour le terminal demandeur – En cas de handover inter-eNodeB – En cas de reprise de la transmission sur le lien descendant lorsque le terminal est en mode RRC-CONNECTED

• Le ‘Random Access Preamble’ sans contention n’appartient pas à la liste de séquences de préambules diffusées par le BCH • En cas de handover, le ‘Random Access Preamble’ est fournit par le eNodeB cible, à travers l’ancien eNodeB serveur (en utilisant le message ‘RRC Handover’)

• Le rôle du préambule est d’indiquer au réseau la présence d’une tentative d’accès multiple pour obtenir la synchronisation en temps à une fraction du préfixe cyclique près • La transmission du préambule d’accès multiple reste orthogonale (en temps et en fréquence) aux transmissions des données utilisateurs sur le lien montant
Pas besoin de ‘power ramping’ comme en WCDMA • Le réseau diffuse des informations au terminaux précisant les ressources allouées à la transmission du préambule d’accès aléatoire
Eviter toute interférence entre les données et le préambule

457

Accès Aléatoire (1ère Etape)

2/8

Transmission du Préambule d’Accès Multiple

• Le préambule d’accès multiple occupe une bande de 6 ‘Resource Blocks’ (1.08 MHz) –
Adéquation avec la bande minimale occupée par le LTE –
Structure du préambule indépendante de la bande de transmission dans la cellule 459

1/8

458

Accès Aléatoire (1ère Etape )

3/8

• Pour un déploiement utilisant une allocation en fréquence large, des ressources d’accès aléatoire multiples peuvent être allouées
Capacité d’accès aléatoire augmentée • Au terminal, le début d’une trame sur le lien montant est définie relativement au début d’une trame sur le lien descendant • Il existe une incertitude en temps sur le lien montant correspondant à 2 fois la distance entre le eNodeB et le terminal (6.7 µs/km)
Transmission sur le lien montant retardée par rapport à la transmission sur le lien descendant • Pour éviter toute interférence avec les sous-trames suivantes, un temps de garde (0.1 ms) est utilisé
La longueur du préambule est plus petite que 1 ms (0.9 ms) 460

115

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Accès Aléatoire (1ère Etape )

4/8

Accès Aléatoire (1ère Etape ) 5/8 • Le préambule est basé sur les séquences de Zadoff-Chu (ZC) et leurs décalages cycliques • De chaque séquence ZC, m-1 séquences décalées cycliquement sont obtenues par décalages cycliques de MZC/m, où est la longueur de la séquence ZC • L’amplitude de la séquence de ZC est constante
Utilisation efficace de l’amplificateur (Faible PAPR) • La séquence ZC a une auto-corrélation cyclique idéale
Estimation précise du temps d’arrivée du préambule • L’inter-corrélation entre différents préambules basés sur des décalages cycliques de la même séquence ZC est nulle si MZC/m > Temps de propagation aller-retour + Etalement des délais du canal

• Un temps de garde de 0.1 ms correspond à une taille de cellule de 15 km Préambule en Temps pour Différents Utilisateurs Utilisant l’Accès Aléatoire 461

Accès Aléatoire (1ère Etape )

6/8

•
Pas d’interférence intra-cellulaire entre tentatives d’accès aléatoire multiples utilisant des préambules dérivés de la même séquence ZC

Génération du Préambule d’Accès Aléatoire

• Le préambule d’accès aléatoire est généré en temps • Pour permettre un traitement en fréquence au eNodeB, un préfixe cyclique est inclus dans la génération du préambule 463

462

Accès Aléatoire (1ère Etape )

7/8

• Les séquences de préambule sont partitionnées en groupes de 64 séquences chacun • Chaque cellule est allouée un groupe (64 séquences et leurs décalages cycliques) • Le nombre de groupes est suffisamment large pour éviter toute planification de séquences entre cellules • Lors d’une tentative d’accès aléatoire, le terminal sélectionne aléatoirement une séquence dans l’ensemble des séquences allouées à la cellule à laquelle il veut accéder • Grâce au préfixe cyclique inclus dans le préambule, un traitement à complexité réduite dans le domaine fréquentiel est possible

464

116

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Accès Aléatoire (1ère Etape )

8/8

Accès Aléatoire (2ème Etape)

1/3

• En réponse à une tentative d’accès aléatoire détectée, le eNodeB transmet un message sur le DL-SCH contenant: – L’indice du préambule d’accès aléatoire détecté – La correction en temps à effectuer pour les transmissions suivantes – Une allocation de ressources à utiliser par le terminal pour la transmission de messages – Une identité temporaire permettant plus de communication entre le terminal et le eNodeB

• En cas de détection de tentatives d’accès aléatoire multiples, les réponses individuelles au terminaux multiples sont combinées en une seule transmission Détection du Préambule d’Accès Aléatoire dans le Domaine Fréquentiel 465

Accès Aléatoire (2ème Etape)

2/3

• La réponse est programmée sur le DL-SCH et indiquée sur le canal de contrôle L1/L2 en utilisant une identité réservée à la réponse à l’accès aléatoire • Tous les terminaux ayant transmis un préambule scrutent les canaux de contrôle L1/L2 pour des réponses à des accès aléatoires • Le temps de réponse n’est pas fixé afin: – De répondre à plusieurs accès simultanés – D’avoir plus de flexibilité dans l’implémentation du eNodeB

• Si les terminaux ayant accompli un accès aléatoire sur la même ressource ont utilisé des préambules différents, il n’y aura pas de collision
A partir de la signalisation sur le lien descendant, il est clair à quel terminal l’information est liée 467

466

Accès Aléatoire (2ème Etape)

3/3

• Si deux ou plusieurs terminaux utilisent le même préambule en même temps, ils écouteront la même réponse sur le lien descendant et auront la même identité temporaire
La résolution des collisions fait partie des étapes 3 et 4 suivantes • Suite à la réception de la réponse à l’accès aléatoire, le terminal ajuste son temps de transmission sur le lien montant
Le terminal est synchronisé en temps • Avant toute transmission de données de/vers le terminal, une identité unique dans la cellule (C-RNTI) est attribuée au terminal 468

117

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Accès Aléatoire (3ème Etape)

1/2

• Le terminal transmet les messages nécessaires au eNodeB en utilisant les ressources allouées dans la réponse à l’accès aléatoire de la 2ème étape • La transmission ordonnancée d’un message sur le lien montant (au lieu d’attacher le message au préambule dans la 1ère étape) est bénéfique: – La transmission d’informations en l’absence de synchronisation est minimisée – La transmission ordonnancée permet d’ajuster les ressources et la modulation utilisées aux conditions radio – La transmission ordonnancée autorise le Hybrid-ARQ avec combinaison souple (soft-combing) des messages sur le lien montant (Scénarios avec limitation de couverture)

Accès Aléatoire (3ème Etape)

• Le message ordonnancé contient une identité du terminal, utilisée dans le mécanisme de résolution de contention à la 4ème étape • Lorsque le terminal est à l’état LTE_ACTIVE, il est connecté à une cellule et possède déjà un C-RNTI
Ce C-RNTI est utilisé comme identité du terminal dans le message du lien montant

469

Accès Aléatoire (4ème Etape)

1/2

• Le eNodeB transmet un message sur le lien descendant pour la résolution de contention • Chaque terminal recevant le message sur le lien descendant compare l’identité dans le message à l’identité transmise à la 3ème étape
Seul le terminal observant une concordance entre l’identité reçue à la 4ème étape et l’identité émise à la 3ème étape déclarent la procédure d’accès aléatoire réussie • Le message de résolution de contention est transmis sur le DL-SCH
Utilisant l’identité temporaire de la 2ème étape pour adresser le terminal sur le canal de contrôle L1/L2 • Synchronisation établie sur le lien montant
Utilisation du Hybrid-ARQ à la signalisation sur le lien descendant dans cette étape 471

2/2

470

Accès Aléatoire (4ème Etape)

2/2

• Les terminaux ayant une concordance entre les identités ils ont transmises à la 3ème étape et les identités reçues à la 4ème étape transmettent un acquittement Hybrid-ARQ • Les terminaux ne trouvant pas de concordance entre les identités transmises à la 3ème étape et les identités reçue à la 4ème étape considèrent qu’ils ont échoué
Besoin de reprendre la procédure d’accès aléatoire dès la 1ère étape
Pas besoin pour ces terminaux d’envoyer un non acquittement Hybrid-ARQ 472

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Diffusion d’Informations Système

Etablissement d’une Connexion RRC 1/2

(Message NAS)

Diffusion d’Informations Système

Etablissement d’une Connexion RRC et transmission initiale d’un message NAS 473

Etablissement d’une Connexion RRC 2/2 • L’établissement d’une connexion RRC est utilisée: – Pour enregistrer un terminal – Initier l’établissement d’une session de données • Le ‘Scheduled transmission’ est un message ‘RRC Connection Request’ contenant un message NAS initial pour le MME • La procédure ‘RRC Connection Reconfiguration’ permet: – De résoudre la contention de l’accès aléatoire – D’établir, modifier et libérer une connexion RRC avec le terminal • Lorsqu’un bearer radio est alloué, le message ‘RRC Connection Configuration’ contient la description d’un ‘Radio Bearer’
Permettre un échange de signalisation supplémentaire entre terminal et eNodeB ou MME (Exemple: Procédure d’authentification) 475

474

Enregistrement

1/6

• L’enregistrement autorise l’abonné à recevoir des services du réseau: – Possibilité d’établir une session de voix ou de données – Possibilité pour l’abonné d’être joint pour une session entrante

• L’enregistrement sert 4 objectifs: – Authentification mutuelle utilisateur-réseau – Allocation d’une identité temporaire (Maintenir la confidentialité de l’IMSI) – Enregistrement de la localisation de l’utilisateur (Permettre au réseau de connaître la localisation courante du terminal) – Etablissement d’un ‘bearer’ par défaut (Permettre une connectivité Always-On) 476

119

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Enregistrement

Exemple d’Enregistrement d’un Abonné 1/2

Enregistrement

2/6

477

4/6

• Le processus d’enregistrement est déclenché par le terminal quand il est allumé ou quand il perd la couverture réseau pour un certain temps • Suite à une procédure d’accès aléatoire, le terminal envoie un ‘Attach Request’ au MME incluant son identité (IMSI ou S-TMSI valable) • Les procédures NAS utilisent le S-TMSI (Identité temporaire) le plus souvent possible • Le S-TMSI est alloué par le réseau lorsque le terminal n’en a pas • Le processus AKA (‘Authentication and Key Agreement’) est accomplie pour une authentification mutuelle du terminal et du réseau • Le MME met à jour le HSS qui enregistre le MME courant de l’abonné (Identifié par son IMSI)

479

Enregistrement

Exemple d’Enregistrement d’un Abonné 2/2

Enregistrement

3/6

478

5/6

• Le HSS fournit au MME les informations de souscription de l’utilisateur (Informations de QoS, Restrictions d’accès)
Le MME peut contrôler et limiter les demandes de contextes de données paquet • Le MME crée un ‘bearer’ par défaut, pouvant être utilisé par le terminal pour initier (par exemple) un enregistrement IMS • Remarque: La possibilité de grouper l’enregistrement et l’établissement d’un ‘bearer’ initial n’existe pas en GPRS et en 3G/UMTS
Moins de signalisation et de temps de traitement au terminal et au réseau en EPS • Le Serving GW et le PDN GW associés au ‘bearer’ sont choisis par le MME (Etablissement du ‘bearer’ par défaut utilisant la procédure ‘Create Bearer GTP’)

480

120

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Enregistrement

6/6

• Les ressources radio sont établies sur l’interface radio en utilisant la procédure ‘Radio Bearer Establishment’ • Pour plus d’efficacité, le message ‘RB Establishment Request’ contient le message ‘Attach Accept’ envoyé par le MME • Le message ‘Attach Accept’ peut contenir un S-TMSI: – Si le terminal n’en a pas un – Pour renouveler un ancien S-TMSI

• Suite à la procédure d’enregistrement, le terminal possède: – Une adresse IP (Allouée par le PDN GW, Communiquée par le message ‘Attach Accept’) – Une connectivité totale au réseau IP externe ou au domaine IMS

Sélection du PDN GW • Le choix du PDN GW est – Assuré par le MME au cours du processus d’enregistrement de l’abonné – Basé sur le concept de APN (Access point Name)

• Le rôle de l’APN est d’identifier le GGSN 2G/3G ou le PDN GW auquel va accéder le terminal pour bénéficier de la connectivité IP • L’opérateur peut définir – Un seul APN offrant une connectivité IP à tous ses abonnés – Plusieurs APN offrant accès à l’Internet public, aux services hébergés par l’opérateur ou à un Intranet sécurisé

• La sélection du PDN GW permet une connectivité IP à travers le EPC pour des abonnés 2G et 3G

481

Attachement au Réseau

482

Désenregistrement

• L’attachement au réseau est un processus permettant au terminal de s’enregistrer au réseau, afin que l’abonné puisse initier et accepter des sessions de communication • Sans l’attachement au réseau, le terminal n’a accès au réseau qu’en cas d’urgence • L’attachement au réseau est accompli quand le terminal est allumé et repose sur plusieurs mécanismes dans le réseau et le terminal 483

1/4

• Il existe deux types de procédures de désenregistrement (ou de ‘detach’ selon la terminologie du 3GPP): – ‘Explicit Detach’: Aucun du réseau et du terminal n’initie le désenregistrement (Terminal fermé par l’utilisateur, Opérateur décidant d’écarter l’utilisateur de son réseau) – ‘Implicit Detach’: Lorsque le terminal et le réseau ont perdu la communication pour un certain temps, chacun considère implicitement que l’enregistrement n’est plus actif
procédure à éviter côté réseau pour garder le contexte et les ressources de l’abonné dont le terminal n’est plus en zone de couverture 484

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Désenregistrement

2/4

Exemple de Désenregistrement Initié par le Terminal 1/2

Désenregistrement

Exemple de Désenregistrement Initié par le Terminal 2/2 485

Désenregistrement

3/4

4/4

• A la réception du ‘Detach Request’, le MME initie une procédure de libération du ‘bearer’ (Libération du contexte et des ressources des tunnels au niveau du Serving GW et du PDN GW) • Le ‘Detach Accept’ n’est envoyé au terminal que si le désenregistrement n’est pas dû à la fermeture du terminal • La libération des ressources radio et S1 est déclenchée par la procédure ‘S1 Release’ initiée par le MME • Le MME peut garder le contexte et les informations de souscription liés au terminal, afin de pouvoir répondre à un nouvel ‘attach’ sans avoir besoin d’accéder au HSS • Lorsque le MME décide de supprimer le contexte de l’abonné, la procédure ‘Purge’ est utilisée pour en informer le HSS 487

486

Ordonnancement sur le Lien Montant 1/5 • L’ordonnanceur sur le lien montant est similaire au lien descendant: Détermination dynamique, pour chaque intervalle de 1 ms, quels terminaux doivent transmettre des données sur leurs UL-SCH et sur quelles ressources sur le lien montant • En HSPA, la ressource partagée sur le lien montant (non orthogonal) est l’interférence acceptable à la station de base
– L’ordonnanceur fixe une limite supérieure à l’interférence sur le lien montant qu’un terminal peut générer
Le terminal sélectionne de manière autonome un format de transport convenable – Un terminal n’utilisant pas ses ressources transmet à une plus faible puissance
Réduction de l’interférence intra-cellule 488

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Ordonnancement sur le Lien Montant 2/5

Ordonnancement sur le Lien Montant 3/5

–
Les ressources non utilisées par un terminal peuvent être exploitées par un autre terminal
Multiplexage statistique

• En LTE, le lien montant est orthogonal et les ressources partagées contrôlées par le eNodeB sont des unités de ressources temps-fréquence
– Les ressources non complètement utilisées par un terminal ne peuvent pas être partiellement utilisées par un autre terminal
Moins de gain en laissant le terminal choisir son format de transport comparé au HSPA
L’ordonnanceur au eNodeB est responsable du contrôle du format de transport que le terminal doit utiliser

• La décision d’ordonnancement sur le lien montant est prise par termina-par-terminal et non par ‘bearer’-par-‘bearer’ radio
– L’ordonnanceur du eNodeB contrôle le ‘payload’ du terminal – Le terminal est responsable du choix des ‘bearers’ radio à partir desquels il prend les données
Le terminal contrôle le multiplexage des canaux logiques • Le multiplexage dans le terminal des ‘bearers’ radio est effectuer selon des règles configurées par la signalisation RRC du eNodeB
Chaque ‘bearer’ est alloué une priorité et un débit binaire prioritaire
Les ‘bearers’ radio multiplexés dans le terminal sont servis par ordre de priorité jusqu’à leurs débit binaire prioritaire

489

Ordonnancement sur le Lien Montant 4/5

490

Ordonnancement sur le Lien Montant 1/3 • Différences entre lien montant et lien descendant: – La ressource de puissance: • Est distribuée entre les utilisateurs sur le lien montant • Est centralisée à la station de base sur le lien descendant

– La puissance maximale d’un terminal sur le lien montant est significativement plus faible que la puissance en sortie de la station de base

Sélection de Format de Transport sur le Lien Montant


Impact significatif sur la stratégie d’ordonnancement: – Le TDM pur peut être utilisé sur le lien descendant – Un terminal n’a pas toujours assez de puissance pour utiliser efficacement la capacité du lien
Couplage du TDM avec le FDM ou le CDM 491

492

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Ordonnancement sur le Lien Montant 2/3

Ordonnancement sur le Lien Montant 3/3

• Accès multiple orthogonal ou non-orthogonal sur le lien montant
Impact significatif sur la stratégie d’ordonnancement:

• Accès multiple inter-cellule toujours non orthogonal + Réutilisation universelle de fréquence
Limitation de la puissance de transmission permise à un terminal • Accès multiples orthogonal + non orthogonal
Principes d’ordonnancement similaires au lien descendant • Puissance de transmission limitée au terminal
Partage supplémentaire des ressources en fréquence/par code:

– Accès multiple non-orthogonal (CDMA): Prise en compte de l’interférence générée aux autres terminaux transmettant dans la cellule
Ordonnancement d’un terminal quand les conditions sont favorables ne se traduit pas nécessairement par un haut débit – Accès multiple orthogonal (LTE): Contrôle de puissance intra-cellule non nécessaire
Ordonnancement dépendant du canal similaire au lien descendant

• Accès multiple orthogonal: Fuites entre signaux reçus ou/et dynamique limitée en réception
Contrôle de puissance nécessaire
Situation un peu similaire au cas non orthogonal

– Terminaux éloignés de la station de base
Opération dans la région limitée en puissance
Pas d’augmentation du débit de données par augmentation de la bande – Terminaux proches de la station de base
Opération dans la région limitée en bande
Augmentation du débit par augmentation de la bande

493

Adaptation de Lien et Ordonnancement dans le Domaine Fréquentiel 1/2 • Ordonnanceur ayant accès au domaine fréquentiel (Transmission OFDM)
Ordonnancement et adaptation de lien possibles dans le domaine fréquentiel • Adaptation de lien dans le domaine fréquentiel + Connaissance des conditions instantanées du canal dans le domaine fréquentiel (Atténuation + Niveau de bruit/d’interférence)
– La puissance et/ou le débit de données sur chaque sous-porteuse peut être ajusté individuellement pour une utilisation optimale – Différentes sous-porteuses sont utilisées pour la transmission de et vers différents terminaux 495

494

Adaptation de Lien et Ordonnancement dans le Domaine Fréquentiel 2/2 • Les gains dus à l’exploitation des variations en fréquence sont similaires à ceux obtenus des variations en temps • Qualité de canal variant significativement en fréquence mais lentement en temps
Ordonnancement en fréquence peut améliorer la capacité système • Exemple: Dans un système à large bande à l’intérieur avec faible mobilité, la qualité varie très lentement en temps 496

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Ordonnancement sur le Lien Montant 5/5 • Les ressources restantes, après desserte du débit prioritaire, sont données par ordre de priorité aux autres ‘bearers’ radio • Pour aider l’ordonnanceur sur le lien montant, le terminal envoie: – Des informations d’ordonnancement au eNodeB en utilisant des messages MAC lorsqu’il a des ressources d’ordonnancement – Un indicateur, faisant partie de la signalisation de contrôle L1/L2, indiquant le besoin de ressources sur le lien montant

• L’ordonnancement dépendant du canal peut être utilisé sur le lien montant: L’estimation de la qualité du canal requière un signal de référence de sondage transmis par le terminal
Coût

Types d’algorithmes de séquencement Techniques les plus utilisées dans les réseaux mobiles :

• Round Robin (RR), • Proportional Fairness (PF), • Integrated Cross-Layer Scheduling (ICL).

497

498

Algorithme PF (1)

Algorithme RR Round Robin • Un des algorithmes de séquencement les plus simples. • Partage des ressources par tranches de temps. • La même quantité de ressources est allouée à chaque utilisateur/processus/file d’attente/… quel que soit l’état du canal. 499

Proportional Fair • Proposé par Qualcomm (norme IS-856 ou HDR, High Data Rate, pour le séquencement du trafic DL). r (t ) • Basé sur la fonction de priorité : µ i = i R i (t ) • Où ri(t) est le débit de données courant et Ri(t) est obtenu par exponential smoothing average du débit reçu par le terminal i jusqu’au slot t. Exponential smoothing can be used with any discrete set of repeated measurements. The raw data sequence is often represented by {xt}, and the output of the exponential smoothing algorithm is commonly written as {st} which may be regarded as our best estimate of what the next value of x will be. When the sequence of observations begins at time t = 0, the simplest form of exponential smoothing is given by the formulas: s0 = x0 and st = axt + (1-a)st-1 where α is the smoothing factor, and 0 < α < 1. 500

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Algorithme PF (2)

Algorithme Integrated CrossCross-Layer Scheduling (1)

• La file d’attente de µ i(t) le plus élevé est servie au slot t. • Le débit moyen de la file est mis à jour par la formule : 1 1 ) R i (t ) + ( ) r i (t ) T T c • Où Tc est la durée de la fenêtre glissantecde moyennage. Ri (t + 1) = (1 −

• La moyenne du débit des files d’attente non servies au slot t est mis à jour par la formule : Ri (t + 1) = (1 −

1

) Ri (t )

T c dans le système • En général, Tc = 1 000 slots (1,66 secondes) CDMA-HDR. • Avantage : PF est simple et efficace. • Inconvénient : PF ne garantit pas de QoS (délai, gigue) du fait de sa élaboration initiale pour les files d’attente saturées pour du trafic de données non temps réel. 501

Algorithme Integrated Cross Cross--Layer Scheduling (2) • Un algorithme opportuniste de type PF est utilisé pour les files d’attente supportant le nrtPS. • Les files en BE sont gérées par une discipline Best-Rate. • Des coefficients de classe sont alloués à chaque file pour chaque type de service. • Fonction de priorité pour la connexion i au time slot t :  R i (t ) 1 si β F i (t ) ≥ 1 Φi (t ) =  class R N F i (t )  β class si F i (t ) < 1

• Où bclass ∈ [0, 1] : coefficient alloué à la classe de service avec les priorités suivantes : rtPS > nrtPS > BE (soit brt > bnrt > bBE). • Ri(t) : nbre de bits transportés par un symbole ) la trame t en AMC. • RN : nombre maximum de bits qu’un symbole peut transporter. 503

• RR et PF ne peuvent gérer l’allocation de ressources et garantir une QoS appropriée par connexion. • ICL se base sur une fonction de priorité allouée à chaque file d’attente où la métrique de priorité est mise à jour en fonction de l’état du service et des conditions du canal radio. • ICL peut donc fournir plusieurs garanties de QoS. • L’algorithme détermine un nombre fixé de slots (Nugs) sur les Nd slots disponibles, pour les files UGS (tel que stipulé dans la norme). • Les files d’attente rtPS sont gérées avec l’algorithme EDF (Early Deadline First), pour le services temps réel sensibles au délai et latence. 502

Algorithme Integrated CrossCross-Layer Scheduling (3) • Pour chaque connexion nrtPS, Fi(t) indique la satisfaction du délai. Fi(t) = Tb – Wi(t) où RN est le délai et Wi(t) ∈ [0, Ti] est la durée d’attente du paquet le plus long. • Cette fonction de priorité normalise fi(t) ∈ [0, brt]. • Quand Fi(t) < 1, les paquets de la file i doivent être transmis immédiatement pour éviter la perte de paquets, brt prend la valeur la plus élevée. • Pour chaque connexion nrt, Fi(t) est le rapport entre le débit moyen de transmission et le débit minimum réservé. 504

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Scheduling Downlink/Uplink

WRR (Weighted Round Robin) Robin)

• Ressources radio séquencées (scheduled) en fonction des paramètres de QoS • Séquencement DL : – Flots multiplexés simplement – Algorithmes standard de séquencement pouvant être utilisés : • WRR (Weighted Round Robin) • VT (Virtual Time) • WFQ (Weighted Fair Queueing) • WFFQ (Worst-case Fair weighted Fair Queueing) • DRR (Deficit Round Robin) • DDRR (Distributed Deficit Round Robin)

Extension du round robin basé sur un poids statique VCC 1 (Source 1)

1 1 1

VCC 2 (Source 2)

2 2

Counter Reset Cycle

2 1

3 3 1 3 2 1 3 3 1 3 2 1

3 VCC 3 (Source 3)

WRR scheduler

3 3 3 3 3

505

506

VT (Virtual Time)

FFQ (Fluid (Fluid Fair Queue) Queue)

• VT : émule le TDM (Time Division Multiplexing) – connexion 1 : réserve 50% de la capacité du lien – connexion 2, 3 : réserve 20% de la capacité du lien

Discipline de service head-of-the line processor : –

φ

: débit garanti pour la connexion i i

– C : débit du lien

Connexion 1 Moyenne d'inter-arrivées : 2 unités Connexion 2 Moyenne d'inter-arrivées : 5 unités

–

Connexion 3 Moyenne d'inter-arrivées : 5 unités

B(τ )

: ensemble des paquets d’une file non vide

– Taux de service pour une file i non vide

First-Come-First-Served

φ

Virtual times Virtual Clock service order 507

∑

i

j∈B (τ )

φ

C j

508

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Deficit Round Robin (2)

Deficit Round Robin (1)

Qi DCi

3500 3500

2800

7800

2000

2800

7800

2000

1500

2800

7800

2000

5000

2800

7800

2000

-2 800

2800

7800

2000

700

initialisation (1st round) servie

• A chaque connexion est attribuée une variable d’état DC (Deficit Counter). • Au début de chaque tour, DCi de la file i est incrémentée d’un certain quantum Qi. • Si la taille du paquet en tête de file, Li, est inférieure ou égale à DCi,, le scheduler autorise la file i à émettre le paquet. • Une fois la transmission terminée DCi est décrémenté de Li.

2800

509

Distributed Deficit Round Robin (1)

2800

7800

2000

7800

4 200

2000

1 400

Non servie (2nd round) servie (3rd round) Non servie (4th round) Non servie (5th round) Servie (6th round)

510

Distributed Deficit Round Robin (2)

• A chaque connexion est attribuée une variable d’état DC (Deficit Counter). • Si la valeur de DCi est positive le scheduler permet à la file i d’émettre un paquet. • Une fois la transmission terminée DCi est décrémenté par Li, (longueur du paquet transmis) . • Au début des round successifs, DCi est incrémenté par un quantum de service spécifique. 511

Qi DCi

3500 3500

2800

7800

2000

2800

7800

2000

1500

2800

7800

2000

-6300

2800

7800

2000

-2800

2800

7800

2000

700

2800

7800

2000

-2100

initialisation (1st round) servie servie Non servie (2nd round) Non servie (3rd round) servie

512

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Algorithmes de séquencement basés sur la qualité du canal

Comparaison d’algorithmes • Round Robin : garanti le maximum d’équité en permettant des opportunités de transmission équivalentes.

-Round Robin (RR) : slots alloués séquentiellement aux abonnés, -Max Carrier-to-Noise scheduling (MCS) : slot alloué à l’usager dont le canal est le meilleur du point de vue CNR, -Proportional Fair Scheduling (PFS) : slot alloué à l’usager dont le canal est le meilleur, -Opportunistic RR Scheduling (ORR) : slots alloués séquentiellement après compétition des N usagers.

• Max(C/I) : plus grande priorité à l’usager ayant les meilleures conditions de propagation mais sans équité. • Proportional Fair : adapté aux services de données non temps-réel.

RR

513

Algorithmes de séquencement dans l’UMTS/CDMA2000/WiMAX l’UMTS/CDMA2000/ WiMAX/LTE /LTE

0 Non opportuniste

ORR

PFS

MCS 1 Opportuniste

514

Contrôle de puissance

-UMTS, WCDMA : RR, PFS, WFQ++, -UMTS, HSDPA/HSUPA : RR, MCS + mécanismes de priorité pour les paquets, -CDMA2000/IS-856, 1xEV-DO :PFS, -CDMA2000, 1xEV-DO : channel aware, queue aware scheduling, - WiMAX/LTE : non spécifié, channel aware, queue aware scheduling. 515

Première classification : • Slow power control : compense les variations lentes (pathloss, pertes antennes, et shadow fading). • Fast power control : compense le fast fading Deuxième classification : • Open Loop Power Control : Puissance UE ajustée sur la base des paramètres et des mesures des signaux du eNode-B. Pas de feedback à la BS. • Closed Loop Power Control : L’UE envoie les mesures au eNB, qui ajuste la puissance d’émission de l’UE. 516

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Exemple : contrôle de puissance sur le PUSCH

• • • • • • •

• • •

Signalisation pour le CP

Pmax : maximum allowed transmit power. It depends on the UE power class. M : number of physical resource blocks (PRB). P0 : cell/UE specific parameter signaled by radio resource control (RRC). α : path loss compensation factor. PL : downlink path loss estimate. Calculated in the UE based on the reference symbol received power (RSRP). α mcs : cell/UE specific modulation and coding scheme defined in the 3GPP specifications for LTE. f (∆i) : UE specific. ∆i is a closed loop correction value and is a function that permits to use accumulate or absolute correction value.

SNR0 is the open loop SNR target. Pn is the noise power per PRB. M0 defines the number of PRBs for which the SNR target is reached with full power. 517

518

Handover intraintra-LTE (2)

Handover intraintra-LTE (1)

519

520

130

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VII. Eléments d’ingénierie et de planification

•Modèles de canaux SISO, SIMO et MIMO •Gestion des fréquences •Bandes appairées et non appairées •Principe de planification et dimensionnement LTE 522

521

MIMO Radio Channel Measurements

• • • •

MIMO Channel Measurement System

Multiple antennas at both the base station and terminal can significantly increase data rates with sufficient multipath Ability to separate signals from closely spaced antennas has been demonstrated indoors and in AT&T-Lucent IS-136 field trial Lucent has demonstrated 26 bps/Hz in 30 kHz channel with 8 Tx and 12 Rx antennas indoors AT&T has performed measurements on 4 Tx by 4 Rx antenna configurations in full mobile & outdoor to indoor environments

Transmitter • 4 antennas mounted on a laptop • 4 coherent 1 Watt 1900 MHz transmitters with synchronous waveform generator

Receive System • Dual-polarized slant 45° PCS antennas separated by 10 feet and fixed multibeam antenna with 4 - 30° beams • 4 coherent 1900 MHz receivers with real-time baseband processing using 4 TI TMS320C40 DSPs

523

524

131

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MIMO techniques

Multiple Antennas increase System Capacity • MIMO techniques increase bit rate and/or quality on a link by creating multiple channels and/or enhancing diversity • Switched/steered beam antennas for base stations and interference suppression/adaptive antennas for terminals reduce interference, increasing system capacity

Beamforming Closed Loop MIMO

525

526

Simulations - Atlanta

Flexible bandwidth (1) • Bandwidth flexibility
use in different spectrum allocations conditions

• Input: km2

– 750 – 929 000 inhabitants

Number of Tri-Sectored Carriers Required

500 455

450

Number of Cell Sites

400 350

264

250

228

200

152

150

50

max 110 resource blocks min 6 resource blocks

329

300

100

395

379 304

132 76 66 51 31

198

300 250

200

150

1.25 MHz 2.5 MHz

150 125

100 50



0 50000

100000

150000

200000

250000

300000

Number of Subscribers 2x2 MIMO

4x4 MIMO

4x1 AAS

8x1 AAS

5 MHz

10system MHz bandwidth NRB

15 MHz

20 MHz

Cell search and broadcast of basic system information in the six center resource blocks

100 75

Source: Nortel 2006

• 1 Mb/s per user- Contention factor: 20 - 2x2 MIMO: 50 Mbps • 4x4 MIMO: 100 Mbps - 8x1 AAS: 38 Mbps - 4x1 AAS: 33 Mbps • Channel of 10 MHz, N=1 - Spectrum: 2.5 GHz TDD MIMO = better coverage and lower number of sites

527



Specifications RAN: bandwidth-agnostic – Largeur de bande de resource block 180 kHz = 12*15 kHz – Tous types de resource blocks NRB∈{6, ..., 110} supportes Ensemble limite de NRB

528

132

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Flexible bandwidth (2)

RF constraints for different bandwidths

• Bandwidths: 1.4, 3.0, 5, 10, 15, 20 MHz • All terminals support: – Reception bandwidth: 110 RBs (110x180 kHz≈20 MHz) – Transmission bandwidth: 110 RBs (110x180 kHz≈20 MHz) max 110 resource blocks min 6 resoruce blocks

system bandwidth NRB Cell search and broadcast of basic system information in the six center resource blocks

529

530

Adaptive Fractional Frequency Reuse (aFFR (aFFR))

Coverage enhancement

Freq. Band

High peak data rate with reasonable coverage • Higher transmission power in UE • Higher carrier frequencies (eg. 3.5GHz)

• Conventional FFR: Sacrifices sector throughputs but obtains a high user coverage gain

CQI

CQ I

CQI

• Possible resolutions to achieve reasonable cell coverage: – Distributed remote antennas – Advanced beam-forming – Pico/femto cells (Home eNBs) – Relay stations: A possible promising feature

• Advanced adaptive FFR: – Parameter control based on interference level in neighbouring cells – Achieve both sector throughput and user coverage gains

0.3 5

0.2

531

U ser C overage

) z H / s p 0.3 b ( e g a r e v o 0.2 5 C r e s U B ase Line

A dvanc ed AFFR

532

133

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Reduced UE Complexity omplexity,, P Power ower consumption

Efficient spectrum usage

Balance between the system performance And UE complexity, power consumption

To get wider spectrum bandwidth up to 100MHz • Aggregation of fragmented spectrums • Sharing of fragmented spectrums among several systems • Asymmetric UL and DL spectrum allocation

• Peak power consumption of an UE will be higher • Enhanced dynamic control of reception bandwidth • A multi-carrier UL transmission mode by UE near the eNB – Enabling discontinuous resource allocation – Easy utilization of MLD at eNB receivers

To attain another ‘bit/Hz’ • SU-MIMO for UL (2x2 or 2x4) • Further enhancement of the current MIMO scheme 533

Abréviations • • • • • • • • • •

534

1/

ISIM: IMS Subscriber Identity Module USIM: Universal Subscriber Identity Module IETF: Internet Engineering Task Force S-TMSI: S-Temporary Mobile Subscriber Identity PLMN: Public Land Mobile Network SM: Session Management (Procédures de signalisation entre terminal et MME pour la gestion de bearer) GMM: GPRS Mobility Management C-RNTI: Cell-Radio Network Temporary Identifier SCTP: Stream Control Transmission Protocol P-GW: PDN Gateway 535

Abréviations • • • • • • • • • • •

2/

PDN: Packet Data Network MGW: Media Gateway MGCF: Media Gateway Control Function CSCF: Call Session Control Function PCRF: Policy and Charging Rules Function PDF: Policy Decision Function CRF: Charging Rules Function MME: Mobility Management Entity HSS: Home Subscriber Server AAA: Authentication, Authorization and Accounting CQI: Channel-Quality Indicator 536

134