Umts Couche Physique

8/8/2019 Umts Couche Physique

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UMTSChapitre 4 : la couche physique de linterface radio

Principe du CDMA__________________________________________________________ 1

Multiplexage sur voie radio___________________________________________________ 2

Utilisation des codes ________________________________________________________ 3

Les codes utiliss dans lUTRAN ______________________________________________ 4

Les codes de brouillage ______________________________________________________ 5

Gain de traitement et puissance disponible ______________________________________7

Contrle de puissance _______________________________________________________ 8

Contrle de charge__________________________________________________________ 9

Respiration des cellules __________________________________________________ 10

Structure des canaux physiques ______________________________________________ 11

Synchronisations slot et trame _______________________________________________ 12

Diffusion des informations systme____________________________________________ 14

Paging___________________________________________________________________ 15

Accs alatoire des mobiles __________________________________________________ 16

Transport des donnes ______________________________________________________ 17

Exemples de formats DPCH _________________________________________________ 20

Traitement de bout en bout par la couche physique : exemple du service de phonie_____ 22

Traitement de bout en bout par la couche physique : cas gnral ___________________ 23

Dtails des traitements______________________________________________________ 24

Adaptation aux fluctuations de dbit source ____________________________________ 26


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couche_physique.doc version du 04/03/2002 1

Principe du CDMA

Deux modes de duplexage

Mode FDD en W-CDMA pour les bandes appaires (2x 60 MHz)Mode TDD en W-TDMA / CDMA pour les bandes non appaires (35 MHz)

1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2200

TDD

UL/DL

FDD UL MSS UL TDD

UL/DL

FDD DL MSS DL

temps

Densit de

puissance

frquence

Densit de

puissance

frquence

FDD

TDD


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Multiplexage sur voie radio

TDD

Une seule frquence utilise alternativement dans chaque sensAvantages :

- flexibilit dans lallocation du spectre (pas de bande de garde)- bien adapt aux dbits asymtriquesInconvnients : synchronisation (plus complexe)

- ncessit davoir le mme point de basculement up/down dans tout le rseau- synchronisation des BS- mme niveau dasymtrie dans tout le rseau

Cas dun point de basculement diffrents entre deux cellules adjacentes :

FDD

Possibilit dmission/rception simultane

- Bien adapt aux dbits symtriques-

Allocation du spectre non optimise (bande de garde)- Etat de maturit plus avanc que le mode TDD

NB : seul le mode FDD est tudi dans la suite du cours

UE2

UE1

Brouillage

2 1


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Utilisation des codes

Etalement de spectre squence directe

Le signal dinformation est directement multipli par la squence de codeUMTS

Chip rate fixe de 3.84 Mcps

(un chip un lment de code reprsentant un bit)

Gain de traitement ou Spreading Factor SF variable selon le dbit

dinformation

IS-95Chip rate fixe de 1.288 Mcps

CDMA-2000

Chip rate variable multiple du chip rate utilis dans IS-95 soit N x 1.288 Mcps

plusieurs gains de traitement possibles pour le mme dbit dinformation

N {1, 3, 6, 9, 12}

Exemple

Dbit binaire N SF Dbit chip Largeur de

bande

(MHz)

UMTS 7.5 kbps 512 3.84 Mcps 5

UMTS 15.5 kbps 256 3.84 Mcps 5

CDMA-2000 9.6 kbps 1 128 1.288 Mcps 1.25

CDMA-2000 9.6 kbps 3 384 3.6864 Mcps 3.75


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Les codes utiliss dans lUTRAN

Deux types de codes :

-

codes de channelisation OVSF- codes de brouillage

OVSF orthogonal variable spreading factor

Type Walsh-Hadamard

SF = 1 SF = 2 SF = 4

C4,1 = (1, 1, 1, 1)

C2,1 = (1, 1)

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

C1,1 = (1)

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

C2,2 = (1, -1)

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

2 squences situes sur le mme niveau hirarchique sont orthogonales

2 codes situs sur la mme branche sont non-orthogonaux

limite importante dans lallocation des codes ex : si C2,1 utilis, on ne peut plus utiliser C1,1, C4,1, C4,2 et tous les descendants dbit utilisateur lev SF faible on bloque une partie importante de larbre

SF admis par lUTRAN :

- 4 256 pour les canaux montants- 4 512 pour les canaux descendants


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Les codes de brouillage (1)

Limites des codes OVSF :

-

ne constituent pas des squences pseudo-alatoires

pas forcmentdtalement de spectre (ex : C 256,1 = 256 eb 1)

- orthogonalit seulement pour des squences alignes => difficult lie lanon-synchronisation des mobiles dans le sens montant

- ncessit dun 2me traitement par des codes dits de brouillage

Principe dallocation :

Sens descendant :

- un code de channelisation par canal physique- la cellule dispose de la totalit de larbre OVSF- un code de brouillage par cellule- les codes de brouillage distinguent les cellules entre elles- 512 codes disponibles-

contrainte sur la planification du rseau (cellules proches

codes

)

Chips

Information

binaire

Code

OVSFCode de

brouillage

Modulation et

mission

Horloge

chip

Bits


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Les codes de brouillage (2)Sens montant :

- un code de channelisation par canal physique- le mobile dispose de la totalit de larbre OVSF- un code de brouillage par mobile- les codes de brouillage distinguent les mobiles entre eux- 224 codes disponibles- pas de contrainte sur la planification entre les mobiles (alatoire)

Exemple dallocation

Sens montant Sens descendant

Code de brouillage Code OVSF Code de brouillage Code OVSF

Mobile 1 Cs1 C8,1

C8,2

Cs1 C4,1

Cellule 1

Mobile 2 Cs2 C8,1 Cs1 C4,2

Mobile 3 Cs3 C8,1 Cs2 C4,1Cellule 2

Mobile 4 Cs4 C8,1 Cs2 C4,3

Problme de pnurie de code et de remplissage de larbre OVSF

C 4n,1 C 4n,1

C 2n,1 C 2n,1

C 4n,2 C 4n,2

C n,1 C n,1

C 4n,3 C 4n,3

C 2n,2 C 2n,2

C 4n,4 C 4n,4

Non optimum Optimum


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Gain de traitement et puissance disponible

Exemple dun SF 8

Signal

dstal de

lusager i

C/I requis

( 6 dB)

Mme

surface

Gain de

traitement

SF = 8 Puissance

totale disponible

niveau

dinterfrence max

Signaux

mis par les

autres mobiles

Signal tal de lusager i

Signal usager dbit + lev

gain de traitement + faible puissance dmission + leveExemple dun SF 4

Signal dstal de

lusager iC/I requis

6 dB

Mme

surface

Gain de

traitement

SF = 4 Puissancetotale

disponible

Signaux

mis par les

autres mobiles

Signal tal de lusager i

Largeur de bande

avant talement

Largeur de bande aprs talement (5 MHz)


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Contrle de puissance

Systme CDMA :

-

chaque usager du rseau est une source dinterfrence pour les autres- ressource partage : puissance dmission- dans le sens montant, contrle de puissance indispensable pour viter les

effets proche-lointain

- ncessaire aussi dans le sens descendant pour limiter linterfrence entrecellule

Mcanisme de rgulation continu

Node B mobile

Transmission de bits TPC transmit power control

Canal ddi DPCCH ddicated physical control channel=

Sens montant

1/ Boucle ferme rapide ( inner loop 0.66 ms) pour rguler le C/I avec une

dynamique de variation de 80 dB (permet de contrer lattnuation due au fading)

2/ Boucle ferme lente ( outer loop pour mettre jour le C/I cible en fonction

de la qualit mesure sur la liaison (BER, )

BER = f(C/I, vitesse du mobile, profil trajet multiple, )

3/ Boucle ouverte partir de paramtres diffuss par le rseau, moins prcis,

uniquement pour les initialisations de puissance (PRACH, PDCH)

UE1

UE2

Forte

interfrence

Faible

interfrence


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Contrle de charge

Contrle de puissance : sens descendant

Moins critique : tous les signaux reus par le mobile proviennent de la mme

source (pas deffet proche lointain)

Boucle ferme rapide (0.66 ms) pour rguler le C/I avec une dynamique de

variation de 30 dB

Boucle ferme lente pour mettre jour le C/I cible en fonction de la qualit

mesure sur la liaison

Charge limite 50%

Niveau

dinterfrence

0 10 20 30 40 50 60

Nombre dutilisateurs par cellule

Pour de hauts niveaux de charge, la rgulation de puissance dcrite

prcdemment peut devenir instable :

- admission nouvel utilisateur augmentation du niveau dinterfrence augmentation de la puissance dmission sur chaque liaison augmentation du niveau global dinterfrence .


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Respiration des cellules

Lorsque le nombre dutilisateurs dans la cellule augmente :- le niveau moyen dinterfrence dans la cellule augmente ;- puissance signal constante sur chaque liaison :

C/I diminue Pour certains mobiles C/I devient infrieur au seuil de fonctionnement les mobiles situs en limite de cellule sont pnaliss en premier

- on peut combattre le phnomne par le contrle de puissance mais la puissance dmissionest borne (cf page prcdente),

- le rayon effectif de la cellule diminue lorsque la charge dans la cellule augmente :phnomne de cell breathing

Couverture et capacit sont donc troitement lies en CDMA

- Charge couverture Rappel : en GSM

- sans saut de frquence couverture = f{taille des cellules}-

avec saut de frquence couverture = f{taille des cellules + charge}

NB : le saut de frquence peut tre vu comme une forme dtalement de spectre

Pour viter linstabilit du contrle de puissance et des trous de couverture dus

de hauts niveaux de trafic, le niveau dinterfrence reu par une station de base

doit tre contrl laide dalgorithmes dadmission et de charge


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Structure des canaux physiques

La trame radio UTRAN

1 slot = 2560 chips

Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14

Une trame radio = 10 ms

La dcoupe en trame ne correspond pas une rpartition des ressources entre

utilisateurs ( TDMA), mais plutt une structuration des donnes mises par unmme usager

Permet notamment lajout de bits de contrle

Canaux physiques mis en jeu lors de la recherche de la cellule

initiale

Procdure excute par le mobile lors de la mise sous tension pour tenter de

sinscrire sur le rseau (IMSI attach)

Dcodage successif de 3 canaux physiques- P-SCH primary synchronisation channel- S-SCH secondary synchronisation channel- CPICH common pilot channel


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Synchronisations slot et trame

Slot 1 Slot 2 Slot 15

Tslot = 2560 cps

CPICH CPICH CPICH

Cp Cp Cp

Csi,1

Csi,2

Csi,1

5

256 cps

1 trame = 10 ms

1re

phase : synchronisation slot dcodage du P-SCH

P-SCH Cp code de synchronisation primaire = suite de 256 chips

- rpte chaque occurrence de slot- transmise lidentique dans toutes les cellules de tous les rseaux UTRAN- balayage par le mobile de toute la bande FDD- corrlation entre le signal reu et le code CP synchronisation slot avec la station de

base la plus proche

- NB : le P-SCH ne supporte pas de canal de transport2

mephase : synchronisation trame dcodage du S-SCH

S-SCH Csicode de synchronisation secondaire = suite de 15 squences de

256 chips

0 i 63 64 suites distinctes

- mis en synchronisme avec le P-SCH- identifie la cellule de manire unique dans une zone gographique donne (planification)- permet la synchronisation trame du mobile- le S-SCH ne supporte pas de canal de transport3

mephase : recherche du code primaire de brouillage dcodage du CPICH

CPICH : suite de 10 symboles pilotes prdfinis (SF = 256)

- mise dans chaque cellule UTRAN ;- embrouille laide du code primaire de brouillage de la cellule- 512 codes de brouillage primaire 64 groupes de 8 codes- un groupe une squence Csi (limitation dela dure de recherche)


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- le CPICH ne supporte pas de canal de transport


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Diffusion des informations systme

Canal P-CCPCH primary common control physical channel

Slot 1 Slot 2 Slot 15

Tslot = 2560 cps

P-CCPCH

Cp Cp Cp

Csi,1

Csi,2

Csi,1

5

256 cps

1 trame = 10 ms

- supporte le canal de transport BCH ( canal balise BCCH en GSM)- contient les informations systme essentielles

identit du rseau informations sur la cellule courante (niveau de puissance max, structure des canaux

communs)

informations sur les cellules voisines (frquence, code primaire, ) informations sur les cellules voisines dautres technologies (CDMA, GSM, )

- paramtres de codage et dtalement invariants doit tre reu par tous les terminaux de la cellule pas de contrle de puissance facteur dtalement 256 (code OVSF = (256, 1)) multiplex en temps avec SCH dbit utile kbps

xx

xx5.13

210256

152)2562560(=

(codage convolutif de rendement )

capacit trs suprieure au GSM (780 bit/s)


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Paging

Canal S-CCPCH

secondary common control physical channel

Supporte les canaux de transport FACH (Forward Access Channel) et PCH

(Paging Channel) canal descendant

1 slot = 2560 chips

TFCI

NTFCIbits

Donnes Nd bits

Pilote

Np bits



Contient 3 types dinformations

- des bits de donnes (messages de signalisation issus des couches hautes)- des informations de contrle de la couche physique

rle des bits pilotes : permettre une estimation de la rponse impulsionnelle du canal (connusde lemetteur et du rcepteur)

rle des bits TFCI (transport format combination indicator) : code le(s) format(s) detransport utilis(s) pour le(s) canal(aux) de transport contenu(s) dans la trame courante

TFCI erron trame perdue protection particulire TFCI et bits pilotes rpts chaque slot de la trame 18 formats possibles pour le S-CCPCH selon SF, codage canal, nombre de bits pilotes et

TFCI.

NB : FACH et PCH peuvent tre :- multiplexs sur un mme S-CCPCH- utiliser chacun un canal physique ddi


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Accs alatoire des mobiles

PRACH physical random access channel

Canal MontantPermet laccs alatoire des mobiles (supporte le canal RACH) :

- pour linscription aprs la mise sous tension du mobile- pour la mise jour de localisation- pour tablir une connexion linitiative du mobile- en rponse un message de pagingPeut ventuellement transporter des donnes utilisateurs

-

transmission par paquet faible dbit

Pas de contrle de puissance par le rseau :

- transmission dun prambule spcifique (4096 chips, SF = 256 signature de 16symboles)

- mis dabord puissance minimale puis de + en + fort jusqu acquittement du rseau(sur un canal spcifique dit AICH)

- mission des donnes (dure 10 ou 20 ms, SF = 32 256, soit 150 1200 bits avec un

codage convolutif de taux )

Prambule du RACH

Message du RACH

Pas de rponse sur AICH Rponse sur AICH

Accs alatoire canal collisionn

Les mobiles sont rpartis :

- en temps (15 fentres dmission toutes les 20 ms) mode slotted-aloha- en code (le mobile choisit alatoirement une des signatures disponibles et son code de

channelisation associ)

- les signatures utilisables dans la cellule sont diffuses sur le BCCH- permet de minimiser la probabilit de collision


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Transport des donnes (1)

DPCH dedicated physical data channel

Ressource ddie un usager offrant un dlai de transmission et un dbit

constant

2 sous-canaux physiques :

- le DPDCH Dedicated Physical Data Channel transmet les donnes du plan usager (voix, messages)

transmet les donnes de signalisation issues des couches suprieures

- Le DPCCH Dedicated Physical Control Channel transmet les donnes de contrle spcifiques la couche physique bits pilotes (estimation de la rponse impulsionnelle du canal, profil de trajets

multiples)

bits TPC transmit power control bits TFCI transport format combination indicator bits FBI feedback information uniquement dans le sens montant


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Cas du canal DPCH descendant

Les canaux de contrle et de donnes sont multiplexs en temps

1 slot = 2560 chips

DPDCH DPCCH DPDCH DPCCH

Donnes

Nd1 bits

TPC

NTPCbits

TFCI

NTFCIbits

Donnes Nd2 bits

Pilote

Np bits



Cette mthode minimise la consommation en code OVSF (important dans le sens descendant :un arbre OVSF pour une cellule)

bits

symboles


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Cas du canal DPCH montant

1 slot = 2560 chips

DPDCH Donnes Nd bits

DPCCH

Pilote

Np bits

TFCI

NTFCI

bits

FBI

NFBI

TPC

NTPC

bits



Les canaux de contrle et de donnes sont spars sur les voies I et Q de la

chane dmissionDbitDPCCH DbitDPDCH Cch1 Cch2

PDPCCH PDPDCH, le brouillage complexe permet une galisation des puissances sur les voies

I et Q

Cette mthode de multiplexage optimise la consommation nergtique des terminaux(rendement des amplificateurs de puissance)

Cch2Cch1


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Exemples de formats DPCH

DPCH descendant

multiplexage DPDCH et DPCCH

N de

format

SF Dbit en

symbole

Ks/s

Dbit

DPCH

Kb/s

Bits/slot DPDCH

(bits/slots)

DPCCH

(bits/slot)

ND1 ND2 NTPC NTFCI Npilot

0 512 7.5 15 10 0 4 2 0 4

1 512 7.5 15 10 0 2 2 2 4

4 256 15 30 20 2 12 2 0 4

5 256 15 30 20 2 10 2 2 4

10 128 30 60 40 6 24 2 0 8

15 8 480 960 640 120 488 8 8 16

16 4 960 1920 1280 248 1000 8 8 16

Transmission multi-code

- Il existe un format utilisant 3 canaux physiques avec un SF de 4- permet datteindre le dbit utilisateur max (mythique !) de 2.8 Mb/sNB : Si les bits TFCI sont absents, les positions des bits DPDCH sont fixs une position par

dfaut

DPCH montant

DPDCH sur voie I

N de

format

SF Dbit en

symble

Ks/s

Dbit du canal

Kb/s

Bits/trames Bits/slot

0 256 15 15 150 10

1 128 30 30 300 20

4 64 60 60 600 40

5 32 120 120 1200 80

10 16 240 240 2400 160

15 8 480 480 4800 320

16 4 960 960 9600 640

DPDCH sur voie Q

SF Bits/trame Bits/slot Pilotes/slot TPC/slot TFCI/slot FBI/slot

6 2 2 0256 150 10 5 2 2 1


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6 2 0 2


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Traitement de bout en bout par la couchephysique : exemple du service de phonie

Cas dun flux descendant (cf chapitre 3 page 6)

Ici SF=128 soit 4015128

10.10210.84.3 36=

x

xxbits dinformations par slot (codage conv. taux )

Soit 40 = 34 bits utilisables par DCH multiplexs + 4 bits rservs signal pilote + 2 bits contrle de

puissance

TTI DPDCH = 20 ms ; TTI DPCCH = 40 ms


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Traitement de bout en bout par la couchephysique : cas gnral

Blocs de transport Blocs de transport

Ajout du CRC Ajout du CRC

Concatnation/segmentation des transport

Blocks

Concatnation/segmentation des transport

Blocks

Codage canal Codage canal

Egalisation adaptation de dbit

1er entrelacement Ajout des bits DTX

Segmentation trame 1er entrelacement

Adaptation de dbit

Traitement de

niveau

transport

block

ou canal detransport

Segmentation trame

Multiplexage des canaux

de transport

Multiplexage des canaux

de transport

Segmentation canal physique 2me ajout de bits DTX

Segmentation canal physique

Traitement de

niveau

CCtrCH

ou canal

composite

2me entrelacement 2me entrelacement

Etalement Etalement

modulation

traitement de

niveau canal

physique

Modulation

Canal montant Canal descendant


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Dtails des traitements (1)

Codage canal

Selon la qualit requise :- Convolutif (rendement ou 1/3, longueur de contrainte 9) appliqu aux faibles dbits

(voix, )

- Turbo-code gain si codage sur un nombre important de bits => dbits levs

La fonction de concatnation/segmentation plac en amont du codage permet dadapter la taille des

blocs coder aux contraintes du codeur :

- bloc de 504 bits pour le codeur convolutionnel- bloc de 5114 bits pour le codeur turbo- ajout de bits de trane pour purger les registres du codeurCRC :

- dtection des erreurs rsiduelles- demande de rptition de trames errones par la couche RLC


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Dtails des traitements (2)

Egalisation et adaptation de dbit

Permet dadapter la taille des blocs cods aux dimensions des canaux physiques

de linterface radio

Canaux de transport dbit usager

Le rseau choisit un SF permettant un dbit le plus proche possible du dbit

demand (en sortie du codage canal)

- Si dbit suprieur : rptition de certains bits- Si dbit infrieur : poinonnage de certains bits

Entrelacement optimisation des mcanismes de correction

derreur

Mthode dentrelacement :

- rangement des bits par ligne dans une matrice- permutation des colonnes- lecture de bits par colonneDeux niveaux :

- canal de transport (inter-trame)Effectu pour un bloc de transport avant la segmentation => si une trame est entache derreurs,

aprs dsentrelacement celles-ci sont rparties sur lensemble du transport block

Importance du TTI : TTI lev => transport block rparti sur plusieurs trames => entrelacement plus

efficace

Ex : TTI = 80 ms=> 1 transport block = 8 trames radio

- canal physique (intra-trame)Effectu sur chaque trame avant le dcoupage en slot : si un slot est entach derreur, celles-ci sont

ensuite rparties sur lensemble de la trame


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Adaptation aux fluctuations de dbitsource

3 niveaux possibles dadaptation :

- au niveau canal logique canal de transport si baisse de dbit possibilit de basculer le canal logique de trafic DTCH dun canal de

transport ddi DCH vers un canal partag DSCH

Gr par la couche RRC (ct rseau)- au niveau canal de transport

A chaque TTI, choix du TF le plus adapt parmi le TFS Exemple : en cas de baisse de dbit, diminution de la taille de transport block

- au niveau canal physique flux montant : le SF du DPDCH peut varier dune trame lautre le SF est indiqu dans le TFCI transmis sur le DPDCH associ (dont le SF est

constant)

flux descendant : le SF reste constant, interruption temporaire de la transmission parinsertion de bits DTX

NB : cette mthode nest pas utilise sur la voie montante pour des aspects CEM

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