3GPP Long Term Evolution

Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux

Proposé par: M. MOUSSAOUI

Réalisé par: Anas BENNANI Anouar LOUKILI Assia MOUNIR Hasnae GUENNOUNI Yasser KHAMILICHI

NORME CONDIDATE POUR LA STANDARISATION 4G LTE ADVANCED

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PLAN GENERAL

Introduction3G Long Term Evolution:

OFDM,OFDMA/SC-FDMAMIMOSchémas Duplex FDD/TDDStructure de Trame & Sous-trameCanaux Physiques, Logiques & de TransportSpectre & Bandes de FréquenceSAE

Conclusion

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IntroductionAvec des services tels que WiMAX offrant de très hauts débits, le travaille sur le développement d’une nouvelle génération de technologie cellulaire a commencé.

Mise à niveau de la technologie cellulaire UMTS baptisée LTE.

L’idée est que la 3G LTE permettra:Débits plus élevés Temps de latence beaucoup plus faible (besoin

croissant pour de nombreux services),

3G LTE permettra aux services de communications cellulaires d’aller de l'avant pour répondre aux besoins en matière de technologie cellulaire à 2017 et bien au-delà.

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IntroductionHSPA & HSPA + sont en cours de déploiement,

Développement de la 3G LTE est entrain d’être baptisé 3.99G comme ce n'est pas encore un plein standard 4G, (en réalité nombreuses sont les similitudes avec les technologies

cellulaires pronostiquées pour la 4G).

La 3G LTE apportera des améliorations significatives en performance sur les normes 3G existantes.

De nombreux opérateurs n'ont pas encore mis à niveau leurs réseaux 3G de base, et la LTE est considérée comme la prochaine étape logique pour beaucoup d‘entre eux, car cela évitera de fournir plusieurs stades de mises à niveau.

L'utilisation de la LTE fournira également les capacités de données qui seront nécessaires pendant plusieurs années à venir et jusqu'à ce que le lancement complet des normes de la 4G connues sous le nom de LTE Advanced.

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Introduction

WCDMA(UMTS)

HSPAHSDPA / HSUPA HSPA+ LTE

Max downlink speed(bps) 384 k 14 M 28 M 100M

Max uplink speed(bps) 128 k 5.7 M 11 M 50 M

Latencyround trip time

approx 150 ms 100 ms 50ms (max) ~10 ms

3GPP releases Rel 99/4 Rel 5 / 6 Rel 7 Rel 8

Approx years of initial roll out 2003 / 4 2005 / 6 HSDPA

2007 / 8 HSUPA 2008 / 9 2009 / 10

Access method CDMA CDMA CDMA OFDMA / SC-FDMA

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IntroductionParameter Details

Peak downlink speed64QAM (Mbps)

100 (SISO), 172 (2x2 MIMO), 326 (4x4 MIMO)

Peak uplink speeds (Mbps) 50 (QPSK), 57 (16 QAM), 86 (64 QAM)

Data type All packet switched data (voice and data). No circuit switched.

Channel bandwidths (MHz) 1.4, 3, 5, 10, 15, 20

Duplex schemes FDD & TDD

Mobility 0 - 15 km/h (optimised),15 - 120 km/h (high performance)

Latency Idle to active less than 100msSmall packets ~10 ms

Spectral efficiency Downlink: 3 - 4 times Rel 6 HSDPAUplink: 2 -3 x Rel 6 HSUPA

Access schemes OFDMA (Downlink)SC-FDMA (Uplink)

Modulation types supported QPSK, 16QAM, 64QAM (Uplink and downlink)

OFDM & OFDMA/SC-FDMA

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IntroductionElément clé de la LTE : utilisation de la technologie OFDM et des régimes d'accès associés.

OFDM est utilisée dans un certain nombre d'autres systèmes :

WLAN, WiMAXTechnologies de broadcast (DVB, DAB, …).

OFDM présente de nombreux avantages.

Compte tenu de ses avantages, l'utilisation de l’OFDM et des technologies d'accès associés, OFDMA/SC-FDMA sont des choix naturels pour la nouvelle norme cellulaire LTE.

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Systèmes Single Carrier

Problèmes des systèmes Single Carrière:Multi-trajets

Domaine temporel : IESDomaine fréquentiel : Distorsion spectre

Solution: EgalisationInversion du canalEgalisateur Rake (Systèmes CDMA)

Dans les deux cas, l'implémentation d’égaliseur canal devient de plus en plus complexe avec l'augmentation des débits .

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Système MC : OFDMSystèmes OFDM subdivisent la BP en plusieurs sous-porteuses étroites et transmettent les données en flux parallèles.

Chaque sous-porteuse est modulée à l'aide de niveaux variables de modulation QAM, i.e. QPSK, QAM, 64 QAM.

Chaque symbole OFDM est une combinaison linéaire des signaux instantanés sur chacune des sous-porteuses dans le canal.

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OFDM : Avantages

Deux aspects remarquables de l'OFDM:Chaque symbole OFDM est précédé d'un préfixe cyclique (CP),

=> éliminer efficacement l'IES.

Des sous-porteuses étroitement espacées, => usage efficace de la BP, sans présence d’ICI - Inter Carrier

Interference-.

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OFDM : Inconvénients

OFDM, comme toute les modulation, souffre de quelques défauts:

Sensibilité aux erreurs de fréquence porteuse.Symbole OFDM est somme de sous-porteuses (pbm: non zero-ICI).

PAPR* élevé .OFDM n'est pas un schéma de modulation à enveloppe constante (pbm: écrêtage).

[*] PAPR ( Peak-to-Average Power Ratio).

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LTE OFDMAOFDMA régime de multiplexage en LTE downlink.

Signal OFDM utilisé en LTE comporte un max de 2048 sous porteuses présentant un espacement de 15 kHz.

Au sein du signal OFDM, il est possible de choisir entre trois types de modulation:

QPSK (= 4QAM) - 2 bits par symbole -16QAM - 4 bits par symbole -64QAM - 6 bits par symbole -

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LTE OFDMAEn OFDMA, les utilisateurs se voient attribuer un nombre précis de sous-porteuses pour un time slot prédéterminé, appelées PRBs, (Physical Resource Blocks).

Les PRBs ont chacun une dimension temps et fréquence.

La Répartition des PRBs est géré par une fonction de planification à la station de base.

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LTE OFDMALa division des sous-porteuses en PRBs permet de compartimenter les données à travers des numéros standards de sous-porteuses.

PRBs couvrent un time slot et sont composés de 12 sous-porteuses, indépendamment de la bande passante globale du signal.

Cela signifie que les différentes largeurs de bande des signaux LTE auront différents nombres de blocs ressources.

Bandwidth canaux (MHz) 1.4 3 5 10 15 20

Nombre de PRBs 6 15 25 50 75 100

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LTE OFDMALe signal en downlink se compose de NBW sous-porteuses pour une durée de Nsymb symboles OFDM ce qui peut être représentée par une grille de ressources.

Chaque case de la grille représente une sous-porteuse unique pour une période de symbole et est désignée par « Resource Element ».

Notez que dans les applications MIMO, il y a une grille de ressources pour chaque antenne d'émission.

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LTE OFDMAPour faciliter :

estimation offset de la porteuse,estimation du canal,synchronisation, ...

LTE intègre des signaux spécifiques de référence dans les PRBs.

Les signaux de référence sont transmis:CP court : 1er et 5ème symboles OFDM de chaque slot CP étendu : 1er et 4ème symboles OFDM,

Notons que les symboles de référence sont transmis chaque six sous-porteuses.

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SC-FDMAEn LTE uplink, un concept différent est utilisé en technique d'accès. Bien qu’on utilise encore une forme de technologie OFDMA, l'implémentation est appelé Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA).

Sans surprise, la consommation d'énergie est une considération clé pour les UE. Le PAPR élevé et la perte en efficacité associés à l'OFDM sont des préoccupations majeures.

La SC-FDMA est bien adaptée aux exigences de la LTE en uplink.

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SC-FDMA La SC-FDMA offre des performances et une complexité globale similaire à l’OFDMA mais utilise en revanche une technique de multiplexage fréquentiel a une seule porteuse.

La chaine de transmission du SC-FDMA est la suivante :

La transposition du signal sur les sous-porteuse détermine, par l’insertion d’un nombre adéquat de zéros, quelle partie du spectre est utilisée pour la transmission. Deux modes de transmission sont alors possibles : le mode localise et le mode distribue

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SC-FDMALe mode localisé:

≫ Aucun zéro n’est inséré entre les échantillons de sortie de la DFT, ceux-ci

étant donc transposes sur des sous-porteuses consécutives

Le mode distribué : NON RETENU PAR LA 3GPP ≫ Un certain nombre de zéros est inséré entre chaque échantillon de sortie

de la DFT, offrant une plus grande diversité fréquentielle

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SC-FDMAGénération et réception d’un signal SC-FDMA

OFDM et le SC-FDMA utilisent les mêmes blocs fonctionnels , la seule différence entre les deux diagrammes étant la présence des blocs DFT et IDFT pour la génération d’un signal SC-FDMA. C’est pourquoi les deux technologies ont les mêmes link level performances et la même efficacité spectrale.

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SC-FDMA

Génération et réception d’un signal SC-FDMA

Le transmetteur convertit le signal d’entrée binaire en une suite de symboles complexes

modules, regroupes en un bloc de M symboles

Une DFT a M points permet ensuite d’obtenir une représentation fréquentielle des symboles d’entrée

Chacune des M sorties de la DFT est transposée sur une des N sous-porteuses orthogonales

Enfin, une IDFT a N points permet d’obtenir un unique signal dans le domaine temporel

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SC-FDMAAvantages du SC-FDMA :

OFDM: détection par sous-porteuse, un zéro sur le spectre dégrade fortement les performances.

SC-FDMA: détection a lieu après l’IDFT et s’effectue donc sur l’ensemble du signal, permettant de moyenner le SNR sur la totalité de la bande de fréquences utilisée.

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SC-FDMAAvantages du SC-FDMA:

OFDM: envoi de données s’effectuant parallèlement sur plusieurs sous-porteuses PAPR élève.

SC-FDMA: envoi de données en série sur une même porteuse

PAPR moindre.

MIMO

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MIMO / MRC La couche PHY LTE peut exploiter des Trx/Rx multiples à la fois côté BTS et côté UE pour renforcer la robustesse du lien et augmenter les débits pour la transmission downlink LTE.

La Maximal Ratio Combining (MRC) est utilisée pour accroître la fiabilité du lien dans des conditions de propagation difficiles (signal faible, multi-trajets).

La MIMO est une technique apparentée qui est utilisé pour augmenter les taux de données du système.

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MRC Avec MRC, un signal est reçu par deux (ou plus) d'antennes séparées / paires émetteur-récepteur.

Antennes physiquement séparées, et donc ont des réponses impulsionnelles distinctes du canal.

La compensation de canal est appliquée à chaque signal reçu dans le processeur bande de base avant d'être linéairement combinés pour créer un signal composite unique reçu.

Toutefois, le bruit thermique de chaque Trx/Rx est non corrélé. Ainsi, la combinaison linéaire des signaux de canal compensés en bande de base

un meilleur SNR.

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MRC

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MRCAmélioration de la fiabilité en présence de bruit AWGN et de sélectivité en fréquence

Amélioration du SNR

La possibilité de sélectivité en fréquence profonde se retrouve considérablement réduite

Amélioration de la fiabilité du lien

MRC n'augmente pas le taux nominal de données du système !! MRC est donc une forme de diversité de récepteurs

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

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LTE MIMO

SISO

MISO

MIMO

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LTE MIMO

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LTE MIMO Principe: utilisation des antennes multiples en émission comme à la réception.

L’opération MIMO nécessite une connaissance a priori de toutes les réponses du canal En LTE, les réponses impulsionnelles des canaux sont déterminées par la transmission séquentielle de signaux de référence connus de chaque antenne de transmission

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LTE MIMO

Exemple: LTE downlink

La combinaison linéaire des deux flux de données sur les deux antennes du récepteur des donne comme résultat un système de deux équations à deux inconnues, qui se résout par deux flux de données d'origine.

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LTE MIMO

Résultats : Amélioration de la fiabilité du lien par la

MRCAugmentation du rapport SNRAmélioration du taux nominal de données

du système : Augmentation Débit

Schémas Duplex FDD/TDD

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LTE: Schémas DuplexIl est essentiel que tout système de communication cellulaire doit être capable de transmettre dans les deux directions simultanément.

Afin d’être en mesure de transmettre dans les deux sens, un UE ou une station de base doit disposer d'un schéma duplex.

Il existe deux formes de duplex qui sont couramment utilisés: FDD : Frequency Division Duplex TDD : Time Division Duplex.

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LTE: Schémas DuplexFDD : Frequency Division DuplexCaractéristiques

Nécessité d’un duplexeur Coût de matériel élevéUtilisation des deux canaux différents dans les deux directionsBande de garde:

Isolation entre UL & DLUne Large bande de garde n'affecte pas la capacité

Nécessité d’une transmission en continue Pas d’interférence inter-slots

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LTE: Schémas DuplexTDD : Time Division DuplexCaractéristiques

Moindre coûtUtilisation du même canal de transmission dans les deux liaisonsBande de garde:

Isolation entre UL & DLUne grande période de garde va limiter la capacité.

Nécessité d’une transmission en discontinue permission à la fois la transmission en liaison montante et en liaison descendante. Pouvoir dégrader les performances de l'amplificateur RF de puissance de l'émetteur.

Pouvoir la production des interférence inter-slots

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LTE: Schémas DuplexEn Bref

il est prévu que LTE FDD sera la plus répandueIl est prévu que les terminaux seront en mesure de fonctionner en utilisant soit le mode FDD-LTE ou LTE TDD (TD-LTE)Les UEs LTE seront des téléphones à double standardle principal problème sera ensuite les bandes de fréquences que le téléphone peut couvrir.

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LTE: Structure de Trame

Objectifs

Maintien de la synchronisation Gestion les différents types d'informations transportées

Le système 3G LTE a défini une structure de trame et de sous-trame pour l'E-UTRA : l'interface radio pour la 3G LTE.

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LTE: Structure de Trame

Les structures de trames pour la LTE diffèrent entre les modes duplex TDD et FDD, car il ya des exigences différentes sur la séparation des données transmises. Il existe deux types de structures de trames

LTE:Type 1: Utilisé par les systèmes opérant en mode

LTE FDDType 2: Les systèmes opérant en mode LTE TDD.

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LTE: Structure de Trame

Structure de trame LTE Type 1 (FDD)

Longueur totale de 10 ms20 slots individuels.

La sous-trame LTE se compose de deux slots

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LTE: Structure de Trame

Structure de trame LTE Type 2 (TDD)

Les sous-trames peuvent être divisées en sous-trames de types sous-trames spéciales.

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LTE: Structure de Trame

Structure de trame LTE Type 2 (TDD) Les sous-trames spéciales sont composées de trois champs

DwPTS - Downlink Pilot Time Slot Utilisé pour la synchoronisation download

GP - Guard Period Assure la transmission de UE sans avoir des interférences entre UL et DL.

UpPTS - Uplink Pilot Time Stot utilisé par Node B pour déterminer le niveau de puissance reçu et la duréé de la puissade l'UE.

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LTE: Structure de Trame

Structure de trame LTE Type 2 (TDD) Les sous-trames spéciales sont composées de trois champs

DwPTS - Downlink Pilot Time Slot Utilisé pour la synchoronisation download

GP - Guard Period Assure la transmission de UE sans avoir des interférences entre UL et DL.

UpPTS - Uplink Pilot Time Stot utilisé par Node B pour déterminer le niveau de puissance reçu et la duréé de la puissade l'UE.

Les canaux

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LTE: Les canaux Différents canaux sont utilisés pour séparer les différents types de données et leur permettent d'être transportés à travers le Radio Access Network d'une façon ordonnée.

Canaux Physiques: transportent les données utilisateur et les messages de contrôle.

Canaux de Transport: fournissent les informations de transfert à la Medium Access Control (MAC) et aux couches supérieures.

Canaux Logiques: fournissent des services au niveau de la couche MAC à l'intérieur de la structure protocolaire de la LTE.

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LTE: Les canaux LTE MAC fournit le transfert de données et les services de mapping .

MAC in the LTE Protocol Stack

NAS

Layer 3

Layer 2

Layer 1

NAS Non Access Stratum:communication avec la MME dans le CN LTE - gestion de la

mobilité de gestion de session.

Layer 3: Radio Resource Control (RRC) diffusion d'informations Système - configure RLC, MAC et PDCP,

fonctions de mobilité - fonctions de gestion de QoS.

Layer 2:Packet Data Convergence Protocol (PDCP):

IP header compression - Réduire le nombre de bits à transmettre.Basé sur Robust Header Compression ROHC

Radio Link Control (RLC)Segmentation / concaténation - La retransmission

Medium Access Control (MAC)Uplink / downlink scheduling - Hybrid-ARQ retransmissions

Choix de la modulation – assignement de Ressource

Layer 1 :La couche physique (PHY)Codage / décodage - Modulation / Démodulation

le mapping des ressources

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LTE: Les canaux Protocol architecture:

PDCP

RLC

MAC

PHY

Transceiver

RRC

Canaux logiques

Canaux de Transport

Canaux Physiques

Layer 2

Layer 1

Layer 3

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LTE: Canaux Physiques Downlink: Physical Broadcast Channel (PBCH) : transporte les informations système, pour les UE, nécessaires pour accéder au réseau.

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : informer l'UE sur le nombre de symboles OFDM (1, 2 ou 3) utilisé pour le PDCCH dans une sous-trame. Ce canal se compose de 32 bits brouillés qui sont spécifiques aux cellules pour la modulation et le mapping.

Physical Downlink Control Channel (PDCCH) : transporter principalement l’ordonnancement de l'information.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) : indiquer le statut Hybride ARQ.

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) : Ce canal est utilisé pour l'unicast et les fonctions de paging.

Physical Multicast Channel (PMCH) : transporte les informations système à des fins de multicast.

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) : fournit des informations pour permettre à l'UE de décoder le PDSCH.

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Uplink:

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) : Envoie des accusés ARQ. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) : Ce canal est l’analogue du canal PDSCH en Uplink. Physical Random Access Channel (PRACH) utilisé pour les fonctions d'accès aléatoire (Random Access).

LTE: Canaux Physiques

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Downlink:Broadcast Channel (BCH) : Ce canal de transport LTE mappe au Broadcast Control Channel (BCCH). Downlink Shared Channel (DL-SCH) : Ce canal de transport est le canal principal pour le transfert de données en liaison descendante. Il est utilisé par de nombreux canaux logiques. Paging Channel (PCH) : Pour transmettre le PCCH Multicast Channel (MCH) : Ce canal de transport est utilisé pour transmettre les informations MCCH afin d’établir les transmissions multidiffusion.

LTE: Canaux de transport

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Uplink:

Uplink Shared Channel (UL-SCH) : Ce canal de transport est le canal principal de liaison montante pour le transfert de données. Il est utilisé par de nombreux canaux logiques. Random Access Channel (RACH) : Ceci est utilisé pour les conditions d’accès aléatoire.

LTE: Canaux de transport

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Canaux de Contrôle :Broadcast Control Channel (BCCH) : fournit des informations système à tous les terminaux mobiles connectés à la eNodeB.

Paging Control Channel (PCCH) : utilisé pour les informations de paging lors de la recherche d'une unité sur le réseau.

Common Control Channel (CCCH) : utilisé pour obtenir des renseignements d’ accès aléatoire.

Multicast Control Channel (MCCH) : utilisé pour les informations nécessaires pour la réception de multidiffusion.

Dedicated Control Channel (DCCH) : pour le transfert des informations de contrôle spécifiques à l’utilisateur, par exemple les actions de contrôle y compris le contrôle de puissance, handover, etc.

LTE: Canaux logiques

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Canaux de Trafic :

Dedicated Traffic Channel (DTCH) : Ce canal de trafic est utilisé pour la transmission des données utilisateur. Multicast Traffic Channel (MTCH) : Ce canal est utilisé pour la transmission de données multicast.

LTE: Canaux logiques

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LTE: Overview

Downlink Uplink

Canaux logiques

Canaux de transport

Canaux Physiques

Spectre et bandes de fréquences

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Il y a un nombre croissant de bandes de fréquences qui sont susceptibles pour une utilisation dans la LTE FDD.

LTE: Spectre et bandes de fréquences

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Il y a plusieurs allocations TDD qui sont en cours de préparation pour l’utilisation en LTE TDD.

LTE: Spectre et bandes de fréquences

SAE System Architecture Evolution

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LTE: Architecture SAE

LTE = Long Term Evolution (aussi connu sous le nom de eUTRAN)

SAE = System Architecture Evolution (ce qui définit EPC)

EPC = Evolved Packet Core

EPS = Evolved Packet System qui inclut EPC, LTE et les terminaux

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LTE: Architecture SAEArchitecture EPS (LTE/SAE)

L’architecture EPS est constitué d’un EPC (Packet Core Network) et d’un eUTRAN Radio Access Network

Le Réseau Coeur fournit l’accès pour les packets IP des réseaux externes il assure aussi plusieurs fonctionalités ( QoS, sécurité, mobilité et la gestion des terminaux)

Le Réseau d’accès radio assure toutes les fonctions relatives à l’interface radio

EPS

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LTE: Architecture SAE

Suppression de l’entité RNC de l’UMTS

La majorité des fonctionalités RNC sont

maintenant assurées par les eNodeB

eNodeB directement connectées entre

elles et avec le réseau cœur EPC

UMTS

LTE

UTRAN/ e-UTRAN

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LTE: Architecture SAEArchitecture e-UTRAN

Architecture plate et simplifiée comparée à celle hiérarchique 2G/3GLa seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé à un nodeB+RNC, qui est responsable de la transmission et de la réception radio avec l’UE.

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LTE: Architecture SAEArchitecture SAE : EPC

Mobility Management Entity Entité de gestion de mobilité, c’est le nœud principal de contrôle du réseau d'accès LTE SAE

Serving Gateway, La passerelle de service SGW, est un élément plan de données au sein de la LTE SAE

Packet Data Network GatewayLa passerelle PDN assure la connectivité pour l'UE à des réseaux de paquets de données externes

Home Subscriber Server, la base de données des abonnées

Policy and Charging Rules Function l'entité qui détecte les flux de service, applique la politique de tarification

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LTE: Architecture SAEAvantages EPS

Architecture plate et simplifiée

Architecture uniquement paquet

Connectivité permanente tout-IP

Réduction de la latence

Réduction des OPEX et CAPEX

Capacité de données améliorée

Communications en environnement

hétérogène

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ConclusionDans cette présentation, on a essayé de décrire l’architecture du système et les objectives de la technologie de réseau d’accès « next generation » développée par la 3GPP.

Avec les débits envisagés, la latence ciblée ainsi que la simplicité du système mais encore une flexibilité en terme de spectre ajoutée à un coût moindre, la LTE est destinée à offrir une meilleurs expérience d’utilisateur, et générer plus de services à valeur ajoutée ainsi que des équipements mobiles plus intéressants, devenant de cette manière encore plus compétitive aux technologies sans fil (i.e. wi4 WiMAX), dans les dix années avenir.

Références

3GPP TS 23.002 V8.5.0, Network architecture (Release 8), Juin 2009.

3GPP TR 24.801 V8.1.0, 3GPP System Architecture Evolution (SAE); CT WG1 aspects (Release 8), Décembre 2008.

3GPP TR 23.882 V8.0.0, 3GPP System Architecture Evolution: Report on Technical Options and Conclusions (Release 8), Décembre 2008.

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