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WIMAXCOUCHE PHYSIQUE

Benoît ESCRIG – ENSEIRB-MATMECA / IRIT

1

Plan2

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique

4. Conclusion

WiMAX : Worldwide Interoperability for Microwave Access

Plan3

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique

4. Conclusion

Généralités4

� Accès large bande sans fil BWA (Broadband Wireless Access)� Intérêt : grande couverture géographique et faible coût de

l’infrastructure� Applications :

� Épine dorsale sans fil : liens entre « hotspots » WiFi� Alternative aux réseaux câblés (ou à base de fibres optiques)� Alternative à la 4G (IEEE 802.16m)

� WiMAX Forum:� Consortium d’opérateurs et de constructeurs� Objectifs : certifier la compatibilité et l’interopérabilité des équipements

fondés sur les standards IEEE 802.16� Produits WiMAX Forum CertifiedTM

� Enjeu : faciliter l’introduction sur le marché de services BWA

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers

2

Technologie WiMAX5

� Objectif : liaisons sans fil sur le dernier kilomètre entre le réseau et l’abonné

� Mobilité utilisateur : fixe, nomade et mobile

� Cellule de 3 à 10 km de rayon

� Capacité : 40 Mbit/s pour le fixe, 15 Mbit/s pour le mobile

Plan6

1. Généralités

2. État de l’art3. Couche physique

4. Conclusion

Standards IEEE 802.16

Bandes Standard Date Détail

10-66 GHz 802.16 12/2001(1) LOS

2-11 GHz 802.16a 01/2003 NLOS (OFDM)

802.16-2004 06/2004 SOFDMA

802.16e-2005 12/2005 Mobilité

802.16m-2011 2011 Convergence 4G

7(1) – Création du groupe en 1999

Bandes Utilisateur Licences

3,5 � 5,8 GHz Fixe Sans

2,3 / 2,5 / 3,5 GHz Mobile Avec

France 3,5 GHz et 26 GHz Nomade Avec

Hétérogénéité des bandes de fréquences: frein à l’interopérabilité

Déploiement en France

� 1996 : première consultation publique par l’ARCEP(1)

� 1998 : première expérimentation

� 2000 : premiers appels à candidature pour une licence nationale

� Depuis 2005, un seul opérateur national : IFW (groupe Iliad-Free)

� 2004 : première enquête publique

� 2006 : première sélection et ouverture du marché secondaire des fréquences

� 30 juin 2008 : 19 titulaires dont 12 collectivités et 7 opérateurs privés(2)

� 31 décembre 2008/2009/2010 : mise sous surveillance et constat du retard de déploiement

National Régional

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(1) : Autorité de Régulation des Communications Électroniques et des Postes

(2) source : http://www.arcep.fr/uploads/tx_gspublication/consultation_blr_23mai2011.pdf

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Situation générale au 23 mai 20119

� Déploiements très inférieurs aux engagements

Offres de service

� Offres Particuliers (débits crêtes < 2 Mbit/s DL)

� Offres Professionnels (débits crêtes <10 Mbit/s DL)

� Frais d’accès au service (particuliers) entre 40 et 60 € + un abonnement mensuel (services de voix illimités pour 10 €supplémentaires)

� 21 000 clients particuliers (en progression) et environ 1 500 clients « entreprises » (stable)

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Causes du retard dans le déploiement du WiMAX� Manque de maturité technologique (standard non stable)

� Manque de disponibilité industrielle (usage fixe, non-conformité des équipements par rapport aux prévisions, manque d’inter-opérabilité)

� Déploiements pour usage fixe

� Zones peu denses : concurrence de solutions technologiques comme le NRA-ZO, le satellite ou le WiFi

� Zones denses : pas encore compétitif / « 3G/4G »

� Issue : enjeux nationaux de « fracture numérique »

11

Bandes de fréquences en 2007

BLR1 (op. rég.) BLR2 (op. rég.) op. nat.

3465-3480 3432,5-3447,5 3480-3495

3565-3580 3532,5-3547,5 3580-3595

12

Bande à 26 GHz (2 fois 112 MHz) : Altitude Développement en IDF et en Normandie.

Bandes en MHz op. rég. : opérateur régionalop. nat. : opérateur national

FDD

4

Plan13

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique1. SOFDMA : OFDMA ajustable2. Duplexage

3. AMC : modulation et codage adaptatifs4. MIMO

5. Ré-utilisation de fréquences fractionnaire6. HARQ

4. Conclusion

Premier « business model »

� Internet haut débit fixe pour les entreprises (peu touchées par les coûts d’installation)

� Bande de fréquences de 10 à 66 GHz

� Bande de fréquences éloignée des bandes très occupées : pas de problèmes de ressources

� Ondes très atténuées nécessitant la présence d’une ligne de mire entre l’émetteur et le récepteur

� Canal peu sélectif en fréquence (puisque présence d’une LOS) et faiblement variant dans le temps (communications extérieures et terminaux fixes)

� Conséquence : chaîne de transmission très simple (codage canal, modulation, égalisation)

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Chaîne de transmission SC (Single Carrier)

15

16

5

Deuxième « business model »

� Internet haut débit pour les particuliers (sensibles aux coûts) et des terminaux mobiles

� Pas de ligne de mire, pas possible d’utiliser la bande de fréquences de 10 à 66 GHz

� Retour dans les bandes permettant les communications NLOS

� Contrepartie : chaîne de transmission plus complexe

� Canal sélectif en fréquence (puisque transmission NLOS) et variant dans le temps (terminaux mobiles)

� Conséquence : chaîne de transmission plus complexe que la chaîne SC

� Choix de l’OFDM

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Présentation de la « Release-1 » pour les systèmes WiMAX mobiles

18

� Le standard WiMAX offre une très large gamme de choix d’implantation : � Bande de fréquence, bande passante, duplexage, codage canal,

modulation, MIMO, …

� La « Release-1 » fournit une première sélection de choix techniques opérationnels et avalisés par le WiMAX Forum

� Bandes de fréquences (avec licences) : 2,3 GHz - 2,5 GHz -3,3 GHz - 3,5 GHz

� Bandes passantes : de 5 à 10 MHz

� SOFDMA / TDD / AMC / MIMO

� Ré-utilisation de fréquence fractionnaire

Plan19

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique1. SOFDMA : OFDMA ajustable

2. Duplexage

3. AMC : modulation et codage adaptatifs4. MIMO

5. Ré-utilisation de fréquences fractionnaire6. HARQ

Canal de propagation20

� Bande de fréquence : quelques GHz

� Bande passante : quelques MHz

� Bande de cohérence très faible : 10 kHz

� Canal très sélectif en fréquence

� Remarque : le temps de cohérence est de l’ordre de 1 ms

� Utilisation de l’OFDM

� Raisonnement analogue pour d’autres systèmes

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Chaîne de transmission OFDM21

IFFT FFT

Préfixe cyclique (CP pour Cyclic Prefix)

� Pour recueillir l’énergie dispersée par les trajets multiples (multipath)

� Pour éviter l’interférence entre blocs

� Pour permettre l’égalisation dans le domaine des fréquences

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OFDMA23

� OFDM : transmission de plusieurs symboles dans le temps, sur plusieurs sous-porteuses.

� OFDMA : regroupement de tranches de temps et de sous-porteuses en sous-canaux affectés à des utilisateurs.

� Multiplexage sur la voie descendante.� Un émetteur, plusieurs récepteurs.

� Accès multiple sur la voie montante.� Plusieurs émetteurs, un seul récepteur.

Structure d’un multiplex OFDMA24

� Sous-porteuses données

� Sous-porteuses pilotes

� Sous-porteuses nulles

Sous-porteuses actives

7

Répartition des ressources entre les utilisateurs

25

� À chaque utilisateur (communication) est affecté un ou plusieurs sous-canaux

� Sous-canal : ensemble de 48 sous-porteuses de données réparties sur un ou plusieurs symboles OFDM

� Mode diversité et mode contigu

� Propriété : plus le canal est sélectif, plus il faut lui offrir de la diversité

Partitionnement des sous-porteuses en mode diversité pour la voie DL

26

� Un sous-canal = K x 2clusters

� Un « cluster » = � 2x12 sous-porteuses données

� + 2x2 sous-porteuses pilotes

� Les N clusters sont répartis sur le multiplex

2 clusters Données Pilotes Symboles OFDM

DL 48 8 2

Exemple27

� Pour une bande passante de 5 MHz.

� Sur 2 symboles OFDMA, il y a 120 sous-porteuses pilotes.

� Si un sous-canal contient 8 sous-porteuses pilotes, il peut y avoir 15 sous-canaux, soit 30 « clusters ».

Partitionnement des sous-porteuses en mode diversité pour la voie UL

28

� Un sous-canal = K x 6 « tiles »

� Une « tile »� 8 sous-porteuses données

� 4 sous-porteuses pilotes

� Plus de pilotes sur la voie montante pour des questions de synchronisation

6 Tiles Données Pilotes Symboles OFDM

UL 48 24 3

8

Exemple29

� Pour une bande passante de 5 MHz.

� Sur un symbole OFDMA, 408 sous-porteuses actives et il y a 4 sous-porteuses pour une « tile ».

� Si un sous-canal contient 6 « tiles », il y a de quoi remplir 17 sous-canaux.

Partitionnement des sous-porteuses en mode contigu

30

� Un sous-canal = K x 6 « bins »� 1 bin = 9 sous-porteuses

contiguës � 8 sous-porteuses de données � 1 sous-porteuse pilote

� Répartition des 6 bins� N x M = 6� N nombre de « bins » � M nombre de symboles contigus

� Moins de pilotes car moins de diversité

� AMC

Exemple31

� Pour une bande passante de 5 MHz.

� Sur un symbole OFDMA, 432 sous-porteuses actives, soit 48 « bins », répartis par 4 dans 12 sous-bandes.

Récapitulatif32

DL UL

Sous-porteuses Actives Pilotes Actives Pilotes

Mode diversité 2 « clusters » 8 6 « tiles » 24

Mode contigu 6 « bins » 6 6 « bins » 6

� Sous-canal de 48 sous-porteuses de données

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SOFDMA33

� Scalable OFDMA

� Principe : adapter l’occupation spectrale du signal aux conditions de transmissions et d’utilisation

� Ajustement sur le nombre de sous-porteuses

� L’espacement des sous-porteuses est fixe (10,94 kHz)

Exemple de SOFDMA pour une voie DL FUSC

34

Plan35

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique1. SOFDMA : OFDMA ajustable2. Duplexage

3. AMC : modulation et codage adaptatifs4. MIMO

5. Ré-utilisation de fréquences fractionnaire6. HARQ

4. Conclusion

Modes de duplexage36

� TDD (Time Division Duplex) ou FDD (Frequency Division Duplex)

� Choix du TDD� Besoin d’un seul canal (rareté des fréquences)

� Modems moins complexes et donc moins chers

� Moins d’estimation de canal et d’ajustements (canal identique dans les deux sens)

� Plus ajustable dans le cas de trafics UL et DL asymétriques

10

Structure d’une trame OFDM en mode TDD

37

Champs des trames38

� Preamble : pour la synchronisation.

� FCH (Frame Control Header) pour donner la configuration de la trame (longueur et codage des champs suivants.

� {DL,UL}-MAP : message MAC fournissant l’allocation des sous-canaux et d’autres informations de contrôle.

� UL Ranging : canal alloué à l’ajustement de puissance et aux demandes d’allocation de bande passante.

� UL CQICH (Channel Quality Indication Channel) : pour renvoyer à la BS (Base Station) des information sur le canal.

� UL ACK : pour un HARQ sur la voie descendante.

Plan39

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique1. SOFDMA : OFDMA ajustable2. Duplexage

3. AMC : modulation et codage adaptatifs

4. MIMO

5. Ré-utilisation de fréquences fractionnaire6. HARQ

4. Conclusion

AMC (Adaptive Modulation and Coding)

40

� Adaptation effectuée à la station de base à partir d’informations comme la qualité du canal (CINR, mode MIMO sélectionné, mode d’allocation des sous-porteuses)

� Transmise dans les canaux de type CQICH

� Avantage du mode TDD : le canal est identique dans les deux sens

� En italique : les choix optionnels

11

Exemple d’AMC (UL)41

Plan42

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique1. SOFDMA : OFDMA ajustable2. Duplexage TDD

3. AMC : modulation et codage adaptatifs4. MIMO

5. Ré-utilisation de fréquences fractionnaire6. HARQ

4. Conclusion

Techniques MIMO

43

Exemples44

12

Plan45

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique1. SOFDMA : OFDMA ajustable2. Duplexage

3. AMC : modulation et codage adaptatifs4. MIMO

5. Ré-utilisation de fréquences fractionnaire

6. HARQ

4. Conclusion

Ré-utilisation fractionnaire de fréquences

46

� Au centre des cellules, les utilisateurs sont répartis sur toutes les sous-porteuses du spectre OFDM

� Aux frontières des cellules, les utilisateurs sont répartis sur des sous-ensembles de sous-porteuses

Plan47

1. Généralités

2. État de l’art

3. Couche physique1. SOFDMA : OFDMA ajustable2. Duplexage

3. AMC : modulation et codage adaptatifs4. MIMO

5. Ré-utilisation de fréquences fractionnaire6. HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest)

4. Conclusion

ARQ Classique48

DATA CRC CRC CHECK OK

OK

Vers les couches supérieures

Demande de retransmission

FEC DECOD FEC

DATA CRC FEC•Amélioration BER/FER•Diminution de l’efficacité spectrale

13

HARQ Type I : décodeurs « soft » et Chase Combining

49

DATA CRC CRC CHECK OK

OK

Vers les couches supérieures

Demande de retransmission

FEC DECOD FEC

STOCKAGE

DATA CRC FEC CRC CHECK OK

OK

…

DECOD FEC

…

HARQ Type II50

DATA CRC CRC CHECK OK

OK

Vers les couches supérieures

Demande de retransmission

FEC1 DECOD FEC

STOCKAGE

DATA CRC FEC2

OU FEC2

CRC CHECK OK

OK

…

DECOD FEC

…

REDONDANCE INCRÉMENTALE

Possible si codes poinçonnés

Conclusion51

� WiMAX : accès large bande sans fil.

� Haut débit : grande bande passante.

� Canal sélectif en fréquence.

� Accès multiple et multiplexage à base d’OFDM ajustable : SOFDMA.

� Fonctionnalités supplémentaires : TDD, MIMO, ré-utilisation de fréquence fractionnaire.

Bibliographie52

� Site ARCEP : http://www.arcep.fr/index.php?id=7108

� WiMAX forum : http://www.wimaxforum.org/home/

� Mobile WiMAX – Part I : A Technical Overview and Performance Evaluation, White paper : http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/Mobile_WiMAX_Part1_Overview_and_Performance.pdf

� Hassan Yaghoobi, “Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN”, Intel Technology Journal, Vol 08, Issue 3, August 2004.