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

3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

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Description of the 3GPP UMTS Long Term Evolution: concepts (OFDM, SC-FDMA) and performances. Study realized by Nicolas Cousin and Vincent Boucheix - students at the ECE Engineering School of Paris, France - for the French operator Bouygues Telecom. Note: Last update in february 2007. Some physical layer concepts or performances may have changed.

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3GPP Long Term Evolution

_________

Etude de la couche physique et des performances

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Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances

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Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances

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

Pourquoi le LTE ?–Afin d’assurer la compétitivité à long terme de l’UMTS

3GPP Release 99

3GPP Release 6

3GPP Release 7/8

3GPP Release 5

2003/2004 2009/20102007/20082005/2006

UMTSDébit DL 384 kbpsDébit UL 128 kbpsRTT ~ 150ms

HSDPADébit pic DL 14 MbpsRTT ~ 100ms

HSUPADébit pic UL 5.7 MbpsRTT ~ 50ms

LTEDébit pic DL 100 MbpsDébit pic UL 50 MbpsRTT ~ 10ms

Introduction

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Introduction

Quels sont les objectifs du LTE?

• Atteindre des débits pic de 100 Mbps (DL) et 50 Mbps (UL)» 3 à 4 fois la Rel.6 en DL, 2 à 3 fois en UL

• Réduire la latence » RTT de 10ms

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

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

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

• Utiliser le domaine PS pour l’ensemble des services

• Implémenter une nouvelle architecture simplifiée du réseau

• Assurer la compatibilité avec les Releases 3GPP précédentes

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Introduction

Quels sont les principaux changements du LTE ?

– De nouvelles technologies pour les transmissions radio» OFDMA en Downlink

» SC-FDMA en Uplink

» MIMO

– Une nouvelle architecture du réseau» Une station de base enrichie en fonctionnalités (eNodeB)

» L’implémentation d’un nouveau cœur de réseau (Evolved PacketCore)

– Une nouvelle architecture protocolaire radio» Réduction de la complexité

» Suppression des canaux dédiés

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Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances

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Etude de la couche physique

• Pourquoi l’OFDMA en DL?» Fiabilité déjà établi au travers de technologies comme le WiFi,

le Wimax, l’ADSL/ADSL2+, ou encore le DVB

» Résistance au multi-trajet

» Efficacité spectrale élevée

» Complexité de l’implémentation réduite

» Flexibilité de l’allocation des ressources en temps et en fréquence

» Compatibilité avec la technologie MIMO

• Pourquoi le SC-FDMA en UL?» Technologie très proche de l’OFDMA

» Un plus faible PAPR augmentant l’efficacité des PA des mobiles

» Une plus grande résistance aux erreurs de codage et au décalage des fréquences

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Etude de la couche physiqueStructure des trames

Les transmissions sont organisées en trames radio d’une durée de 10 ms

• Deux approches ont été définies pour la structure de ces trames :

– Approche 1 : Plusieurs structures de trames– Coexistence FDD : trame générique– Coexistence HCR-TDD : trame générique

» 3 TS HCR-TDD ~ 4 TS E-UTRA

– Coexistence LCR-TDD : trame alternative

– Approche 2 : Une seule structure de trames– Coexistence FDD : trame générique– Coexistence HCR-TDD : trame générique– Coexistence LCR-TDD : trame générique

» Adaptation grâce à l’insertion de symboles et/ou sub-frames ‘idle’ dans la trame E-UTRA

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Etude de la couche physiqueStructure des trames

• La structure de trame générique

– 20 slots de 0.5 ms chacun, numérotés de 0 à 19

– 1 sub-frame = 2 slots successifs

» Sub-frame i = Slot 2i & Slot 2i+1

– En FDD : La trame entière est alternativement dédiée au DL et à l’UL

– En TDD : Une sub-frame est allouée au DL ou à l’UL de manière indépendante

» La première sub-frame d’une trame radio est toujours réservée au DL

#0#0 #1#1 #2#2 #3#3 #19#19

One slot, Tslot = 15360×Ts = 0.5 ms

One radio frame, Tf = 307200×Ts=10 ms

#18#18

One subframe

Source : 3GPP TR 36.211

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Etude de la couche physiqueStructure des trames

• La structure de trame alternative

– 2 demi-trames identiques de 5 ms chacune

• 1 demi-trame

– 7 slots de 0.675 ms, numérotés de 0 à 6

– 3 champs spéciaux : DwPTS, GP, UpPTS

– Le slot 0 et DwPTS sont réservés aux transmissions DL

– Le slot 1 et UpPTS sont réservés aux transmissions UL

– Chaque slot dispose d’un TimeSlot Interval qui peut être utilisé comme GuardPeriod lors des passages des slots UL à DL et réciproquement

#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6

DwPTS

Guard period

UpPTS

One radio frame, Tf = 307200×Ts

Source : 3GPP TR 36.211

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Généralités sur l’OFDM

– Les flux d’informations sont répartis sur plusieurs sous-porteuses

– Les sous-porteuses sont orthogonales entre-elles, ce qui leur permet d’être très proches les unes des autres

» Espacement entre sous-porteuses de 15 KHz

– Un intervalle de garde est ajouté après chaque symbole pour contrer les effets du multipath

– Lors des transmissions, chaque utilisateur se voit attribuer une portion du spectre

» Utilisation de plusieurs sous-porteuses simultanément pour un même signal

Sub-carriersFFT

Time

Symbols

5 MHz Bandwidth

Guard Intervals

Frequency

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

Source : 3GPP TR 25.892

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Généralités sur l’OFDM

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

Codage canalInterleaving

Modulation des symboles

Modulation OFDM(IFFT)

Insertion des intervalles de

temps

Décodage canal

De-interleaving

Démodulation des symboles

Démodulation OFDM(FFT)

Retrait des intervalles de

temps

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Avantages de l’OFDM pour les réseaux mobiles

– Multipath

• Un Temps Symbole important rend le signal plus résistant au multipath

• Les intervalles de garde limitent les interférences inter-symboles dues au multipath

– Efficacité spectrale

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

– Réception

• Grande simplicité de la reception : simple implémentation de FFT au niveau de l’UE

• Aucun système d’annulation des interférences intracellulaires n’est nécessaire

– Extension à MIMO

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

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Inconvénients majeurs de l’OFDM

– Peak-to-Average Power Ratio (PAPR)

• Le PAPR est élevé, ce qui limite l’efficacité des Power Amplifiers des mobiles

• Effet sur les symboles OFDM transmis :– Etalement spectral (interférences entre canaux adjacents)

– BER élevé (intermodulation, changement dans la constellation)

– Sensibilité au décalage fréquentiel

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

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Génération d’un signal OFDM

– Génération conceptuelle

• Les symboles sont transmis de manière synchrone et indépendante sur un ensemble de sous-porteuses. Les modulations PSK et QAM sont utilisées.

– Génération pratique

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

QAM m odulator

QAM modulator

QAM m odulator

.

.

.

.

.

.

s ( t )

Symbol rate = 1/ T us symbols/sec

Σ

t j N e 1 − ω

t j n e ω

t j e 0 ω

• ωn est la nième fréquence de sous-porteuse

• 1/Tu est le Débit Symboles QAM

• L’espacement inter-porteuses est constant

a ( mN + 0)

a ( mN + 1)

a ( mN + 2)

.

.

.

a ( mN + N -1)

time

IFFT s m (0), s m (1), s m (2), …, s m ( N -1)

mT u ( m +1) T u

s m

mT u ( m +1) T u

time

• a(mN+n) est le symbole modulé de la nième sous-porteuse durant la période de temps mTu<t ≤(m+1)Tu

• Sm est défini comme étant le symbole OFDM utile, il est la superposition des N sous-porteuses modulées

Source : 3GPP TR 25.892

Source : 3GPP TR 25.892

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Orthogonalité de l’OFDM

– Le spectre d’une sous-porteuse, modulant une donnée pendant une fenêtre de temps Ts est la transformée de Fourier de cette fenêtre. Pour plusieurs sous-porteuses, on obtiendra donc les spectres suivants :

– Le spectre du signal OFDM est la somme des spectres de chacune des sous-porteuses

• Condition d’orthogonalité de l’OFDM :

L’espace inter-porteuse 1/Ts permet, lorsque le spectre d’une sous-porteuse est maximal, d’annuler les spectres de toutes les autres. Ainsi, les spectres des sous-porteuses peuvent se recouvrir sans engendrer d’interférences

• Dans la bande occupée par les sous-porteuses, le spectre est presque plat, ce qui démontre une efficacité spectrale optimale

Source : Modulations multi-porteuses, Annick Le Glaunec

Source : Modulations multi-porteuses, Annick Le Glaunec

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Gestion des interférences inter-symboles et du fast-fading

– Préfixe cyclique

– Durée d’un symbole

– Espacement inter-porteuse

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Préfixe cyclique

– Un intervalle de garde peut-être ajouté avant chaque symbole OFDM pour minimiser les interférences inter-symboles dues au multipath

» Cependant, l’intervalle de garde seul ne permet pas de contrer les interférences intra-symboles

– On utilisera plutôt un préfixe cyclique rendant le symbole OFDM périodique

» En effet, en temps discret, pour qu’une convolution dans le temps soit équivalente à une multiplication dans le domaine fréquentiel, il faut qu’au moins l’un des signaux soit périodique sur l’espace de la convolution

» La longueur du préfixe cyclique doit être supérieur au retard de diffusion total afin d’absorber la totalité de l’énergie dispersée par le multipath

Useful OFDM symbol duration

OFDM symbolsm

Prefix length

copy

Le préfixe cyclique est généré en utilisant le dernier bloc de Np échantillons du symbole OFDM

Source : 3GPP TR 25.892

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Durée d’un symbole OFDM

– Etant donné l’utilisation de plusieurs sous-porteuses à faible débit, contrairement aux techniques de modulation à une seule porteuse, la durée d’un symbole OFDM est grande.

» Ainsi, même si le retard de diffusion est supérieur au préfixe cyclique, l’énergie de l’interférence inter-symbole reste beaucoup plus petite que l’énergie d’un symbole OFDM à condition que la durée de ce symbole soit nettement plus grande que le retard de diffusion.

– En contrepartie, un Temps Symbole trop important engendre une perte de l’orthogonalité inter-porteuses et affecte les performances (fast fading)

» Ainsi, il est préférable que la durée du symbole n’excède pas le temps de cohérence minimum du canal

» Le temps de cohérence étant inversement proportionnel à la fréquence de Doppler maximale fd, la durée d’un symbole doit être telle que :

Ts << 1/fd

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Espacement inter-porteuses

– Afin de simplifier la réception de chaque symbole QAM transmis sur chaque sous-porteuse au cas d’un canal à évanouissement plat (flat fading channel) et de simplifier le processus d’égalisation des canaux, il faut que l’espacement inter-porteuses soit nettement inférieur à la bande de cohérence du canal.

» La bande de cohérence du canal étant inversement proportionnelle au retard de diffusion τ du canal (d’un facteur 2π), l’espacement inter-porteuses doit être nettement inférieur à 1/τ

» De plus, pour contrer l’effet Doppler, l’espacement inter-porteuses doit également être nettement supérieur à la fréquence de Doppler maximale

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Multiplexage fréquentiel et temporel

– Plusieurs utilisateurs peuvent être multiplexés

» Temporellement : tant que le multiplexage est effectué au débit des symboles OFDM ou à un multiple de ce débit

» Fréquentiellement (frequency domain scheduling) : les symboles de données ou de signalisation de différents utilisateurs peuvent être multiplexés sur un nombre variable de sous-porteuses

– Chaque sous-porteuse peut utiliser une modulation qui lui est propre, sans pour autant entraîner une complexité plus importante du récepteur

Source : 3G Long-term evolution Ericsson Research

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Structure des slots

– Le signal transmis dans chaque slot est décrit par une grille de ressources de NBW sous-porteuses et de Nsymb symboles OFDM.

One downlink slot, Tslot

On

e re

sour

ce b

lock

, N

RB

sub

carr

iers

sub

carr

iers

NB

WD

Lsu

bca

rrie

rsN

BW

DL

NB

WD

L

Resource element

OFDM symbolsDLsymbN OFDM symbolsDLsymbN

• Chaque élément de ressource identifié par ses indices fréquentiel k et temporel l, correspond à un symbole modulé à

valeur complexe ak,l

• Chaque symbole ak,l non utilisé dans un slot lors d’une transmission est mis à zéro

• Un bloc de ressources est défini par Nsymb symboles OFDM consécutifs dans le temps et par NBW=12 sous-porteuses consécutives

• Un symbole OFDM s’étale sur 12 sous-porteuses pendant une durée Ts/Nsymb

•Un signal OFDM occupe entre 72 et 2048 sous-porteuses

Source : 3GPP TR 36.211

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Structure des slots

– Le nombre Nsymb de symboles OFDM par slot dépend de la taille du préfixe cyclique configuré par les couches supérieures.

– la structure d’un slot pour la trame générique est la suivante :

Paramétrage actuel

• Ts=66,67 µs

• CP long=16,67 µs

• CP court=5,21 µs pour le premier, puis 4,69 µs pour les suivants

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7

Cyclic Prefix

OFDM symbol

S1 S2 S3 S4 S5 S6

CP court

CP long 0.5ms

0.5ms

Source : 3GPP TR 36.211

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Signal de référence

– Il est utilisé notamment pour :» Les mesures de qualité des canaux DL

» L’estimation des canaux DL pour une détection/démodulation cohérente au niveau récepteur

» Les procédures de Cell Search et d’Initial Acquisition

– Sa structure, composée de symboles de référence connus, est illustrée comme suit :

• Les First Reference Symbols sont localisés dans le premier symbole OFDM de chaque slot DL

• Les Second Reference Symbols sont localisés dans l’antépénultième symbole OFDM de chaque slot

• L’écart fréquentiel entre chaque symbole de référence est de 6 sous-porteuses

R1 : First reference symbol

D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

D D D D R2 D D D D D R2 D D D D D R2 D D

D D D D D D D D D D D D D D D D D D

D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

0.5 ms

Frequency domain

R2 : Second reference symbol D : Data

D R1 D D D D D R1 D D D D D R1 D D D D D

D

Source : 3GPP TR 25.814

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Paramétrage

– Pour la structure de trame générique (20 slots de 0,5 ms)

Source : 3GPP TR 25.814

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Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Paramétrage

– La durée d’une sub-frame (deux slots) correspond au TTI minimum en DL, à savoir 1 ms

– Cependant, il sera envisageable de concaténer plusieurs sub-framesen un TTI plus long afin d’optimiser la QoS

» Le TTI, fourni par le Node-B de manière implicite (en indiquant la modulation, le codage et la taille des blocs de transport) ou explicite, sera alors un attribut semi-statique ou dynamique du canal

– Un CP long pourra être implémenté, mieux adapté au broadcastmulticellulaire ou aux très grandes cellules, de manière à contrer les retards plus importants dus au multipath

Page 28: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Etude de la couche physiqueDownlink OFDMA

• Paramétrage

– Pour la structure de trame alternative (14 slots de 0,675 ms)

Source : 3GPP TR 25.814

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Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Généralités sur le SC-FDMA

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

– La chaîne de transmission du SC-FDMA est la suivante :

N-point DFT

Subcarriermapping

M-point IDFT

Ajout CP

DAC

ADCSupprCP

M-point DFT

Subcarrierdemappingequalizat°

N-point IDFT

La transposition du signal sur les sous-porteuses 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 localisé et le mode distribué

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Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Généralités sur le SC-FDMA

– Le mode localisé» Aucun zéro n’est inséré entre les échantillons de sortie de la DFT, ceux-ci

étant donc transposés 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

Source : 3GPP R1-050248

Source : 3GPP R1-050248

Source : 3GPP TR 25.814

Source : 3GPP TR 25.814

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Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Avantages du SC-FDMA

– La détection en OFDMA s’effectuant par sous-porteuse, un zéro sur le spectre dégrade fortement les performances

– Au contraire, la détection en SC-FDMA a lieu après l’IDFT et s’effectue donc sur l’ensemble du signal, ce qui permet de moyenner le SNR sur la totalité de la bande de fréquences utilisée

Source : Hyung G. Myung PhD Thesis

Page 32: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Avantages du SC-FDMA

– L’envoi de données en OFDM s’effectuant parallèlement sur plusieurs sous-porteuses, le PAPR résultant est élevé

– Au contraire, le SC-FDMA consiste en l’envoi de données en série sur une même porteuse, permettant de ce fait d’obtenir un PAPR moindre

Source : IEEE PIRMC’06 – PAPR of SC-FDMA Signals with Pulse Shaping Source : Hyung G. Myung PhD Thesis

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Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Génération et réception d’un signal SC-FDMA

• SC-FDMA

• OFDMA

• L’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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Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Génération et réception d’un signal SC-FDMA

– Le SC-FDMA, aussi appelé DFT-spread OFDMA, consiste à transposer les symboles de données du domaine temporel dans le domaine fréquentiel par une DFT avant d’opérer la modulation OFDM

Serial toParallel

Converter

Incoming BitStream

m1 bitsBit to

ConstellationMapping

Bit toConstellation

Mapping

Bit toConstellation

Mapping

m2 bits

mMbits

x(0,n)

x(1,n)

x(M- 1,n)

Serial toParallel

Converter

Incoming BitStream

m1 bitsBit to

ConstellationMapping

Bit toConstellation

Mapping

Bit toConstellation

Mapping

m2 bits

mMbits

x(0,n)

x(1,n)

x(M- 1,n)

N-pointIFFT

Add cyclicprefix

Parallel toSerial

converter

M-pointFFT

of

1f

1−Mf

2−Mf

12/ −Mf

2/Mf

00000

00000

Channel BW

• Le transmetteur convertit le signal d’entrée binaire en une suite de symboles complexes modulés, regroupés en un bloc de M symboles

• Une DFT à 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, comme en OFDMA, une IDFT à N points permet d’obtenir un unique signal dans le domaine temporel

SC-FDMA mode localisé

Source : 3GPP R1-050584

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Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Structure des slots

– Le nombre de symboles SC-FDMA dans un slot, dépend de la taille du préfixe cyclique :

– Dans chaque slot SC-FDMA, le deuxième et l’avant dernier symbole sont des symboles courts (short blocks) utilisés notamment pour la transmission du signal de référence.

– Les autres symboles sont des symboles longs (long blocks) utilisés exclusivement pour la transmission de données et/ou de signalisation.

One uplink slot, Tslot

3210

Modulation symbol

3ULsymb −N 2UL

symb −N 1ULsymb −N

ULsymb,Nu

aSource : 3GPP TR 36.211

Source : 3GPP TR 36.211

Page 36: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Structure des slots

– Structure d’un slot pour une trame générique (CP normal)

– Structure d’un slot pour une trame alternative (CP normal)

CP : Cyclic Prefix - LB : Long Block - SB : Short Block - TI : Time Interval

Source : 3GPP TR 25.814

Source : 3GPP TR 25.814

Page 37: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Signal de référence

– Les signaux de référence étant donc transmis sur les deux short blocksd’un slot, la bande passante des sous-porteuses nécessaire à leur envoi est deux fois supérieure à celle utilisées à l’envoi des long blocks.

– Ces signaux permettent notamment au Node-B :

» L’estimation du canal UL pour une détection et une démodulation cohérente

» L’estimation de la qualité du canal UL pour le scheduling des canaux

– On distingue deux structures pour ces signaux de référence :

• La structure distribuée dans laquelle les signaux occupent une portion de spectre combinée

• La structure localisée dans laquelle les signaux occupent une portion de spectre continue

Source : 3GPP TR 25.814

Page 38: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Signal de référence

– L’orthogonalité entre les signaux de référence est assurée par

» Leur transmission à travers des ensembles distincts de sous-porteuses (orthogonalité fréquentielle)

» Leur transmission à travers un large ensemble continu de sous-porteuses (orthogonalité par code)

» Leur transmission à des instants différés (orthogonalité temporelle)

» La combinaison des méthodes précitées

Orthogonalité fréquentielle

Reference signal #1 Reference signal #2 Reference signal #3

Orthogonalité par code

Page 39: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Paramétrage

– Pour la structure de trame générique

Source : 3GPP TR 25.814

Page 40: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Etude de la couche physiqueUplink SC-FDMA

• Paramétrage

– Pour la structure de trame alternative

Source : 3GPP TR 25.814

Page 41: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances

Page 42: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Méthode d’évaluation des performances

– Le tableau suivant comporte les pré-requis en termes de taux d’erreur pour différent type de service, celui-ci limitant la charge du réseau :

Audio : Comme la VoIPVidéo ; Comme le Streaming Vidéo

Vidéo Conferencing

2% de taux de coupure avec plus de 2% de paquets perdusS Kbps Streaming VidéoS=128 pour une BP >2.5MHz sinon 64

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

VoIP

2% de taux de coupure - Débit utilisateur packet call < Q Q=128Kbps pour une BP>2.5MHz sinon Q=32Kbps

FTP – (TCP)

2% de taux de coupure - Débit utilisateur packet call < P P=128Kbps pour une BP>2.5MHz sinon P=32Kbps

HTTP – Navigation Web (TCP)

Taux d’erreur limiteType de trafic

Source : 3GPP TR 25.814

Page 43: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Débits théoriques

– Le tableau suivant décrit les débits pics en DL pour l’E-UTRA FDD/TDD

Source : 3GPP TR 25.814

Page 44: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Débits théoriques

– La figure suivante présente le débit atteignable en fonction du Es/N0 reçu.

» Configuration MIMO 2x2, BP=20MHz, 2 types d’UE et divers taux de codage et modulations

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30Average received Es/N0 per receiver branch (dB)

Thr

ough

put (

Mbp

s)

QRM-MLD using ASESSMMSE

QPSK R = 1/2QPSK R = 2/3QPSK R = 3/416QAM R = 1/216QAM R = 2/316QAM R = 3/416QAM R = 4/564QAM R = 2/364QAM R = 3/464QAM R = 4/5

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

• Pour des valeurs de Es/N0 de 11 à 20 dB, c’est la modulation 16QAM qui donne le meilleur débit

• Pour un Es/N0 supérieur à 20 dB, la modulation 64QAM est préférable et permet d’atteindre le débit requis de 100 Mbit/s

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

Source : 3GPP TR 25.814

Page 45: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Débits théoriques

– La figure suivante présente les débits pics, moyens et en bordure de cellule pour 3 scénarios différents et suivant différentes configurations MIMO

» Scénario A : Environnement multicellulaire

» Scénario B : Site trisectoriel isolé

» Scénario C : Cellule isolée

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

A B C

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

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

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

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

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

Source : 3GPP TR 25.814

Page 46: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Evaluation du débit

– Il s’agit là d’une comparaison entre OFDMA et W-CDMA. Celle-ci met en avant les différences de débit et d’efficacité spectrale entre ces deux techniques d’accès et permet d’évaluer les performances de l’OFDMA par rapport aux pré-requis suscités.

» Les configurations utilisées correspondent à celles du document TR 25.913

» Modèle de trafic : Full Buffer

» Scheduling : Proportional Fair

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

--1.620 (+76%)0.92233

1.260 (+90%)-1.510 (+127%)0.664302

1.560 (+58%)1.782 (+80%)1.840 (+86%)0.98831

OFDM 0.5 ms TTISous bandes de 1125 KHz

[b/s/Hz]

OFDM 0.5 ms TTISous bandes de 563 KHz

(bps/Hz)

OFDM 0.5 ms TTISous bandes de 375 KHz

[b/s/Hz]

RéférenceWCDMAType I

[b/s/Hz]

Vitesse[km/h]

Cas

Source : 3GPP TR 25.814

Page 47: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Evaluation du débit

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

Source : 3GPP TR 25.814

Page 48: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Evaluation du débit

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

Il est fréquent d’excéder un gain de 3x pour le débit par secteur et par utilisateur, et un gain de 2x pour le débit des utilisateurs en bordure de cellule.

Cependant, obtenir simultanément un gain de 3/4x pour le débit par secteur et par utilisateur et un gain de 2/3x pour le débit des utilisateurs en bordure de cellule est plus rare. Cela a été possible pour les simulations 4a,b,c et 2b, grâce àl’utilisation du MIMO 2x2, d’un TTI plus long et/ou moins de signalisation.Source : 3GPP TR 25.814

Page 49: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Evaluation de la capacité VoIP

– Afin de définir la capacité VoIP, on procède comme suit :

» On estime le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 2% étant donnéun délai de transmission limite. En cas de dépassement de ce délai pour un paquet, l’appel est comptabilisé en tant qu’erreur.

» Si le délai de transmission de 95% des UEs, ayant un BLER inférieur à 2%, est inférieur au délai limite de 100 ms, alors on considère le critère VoIPcomme étant satisfait.

» Le nombre maximum d’UEs qui satisfont le critère précédent définit la capacité VoIP du réseau.

– Ci-dessous sont présentés les résultats des simulations de System Level pour la capacité VoIP de l’E-UTRA par rapport à l’UTRA des Rel.5 et 6

» Modulation QPSK, R=1/2, BP=5MHz

Source : 3GPP R1-062511

Page 50: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesDownlink

• Evaluation de la capacité VoIP

– Les courbes ci-dessous présentent le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 2% en fonction du délai de transmission limite

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Delay Bound [msec]

Per

cent

age

of U

Es

with

BLE

R<2

%

120 UEs

125 UEs

130 UEs

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Delay Bound [msec]

Per

cent

age

of U

Es

with

BLE

R<2

%

195 UEs

200 UEs

205 UEs

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Delay Bound [ msec]Delay Bound [ msec]Delay Bound [ msec]Delay Bound [ msec]

Per

cent

age

of U

Es w

ith B

LER

<2%

Per

cent

age

of U

Es w

ith B

LER

<2%

Per

cent

age

of U

Es w

ith B

LER

<2%

Per

cent

age

of U

Es w

ith B

LER

<2%

400 UEs

420 UEs

440 UEs

Rel.5 Rel.6

E-UTRASource : 3GPP R1-062511 Source : 3GPP R1-062511

Source : 3GPP R1-062511

Page 51: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesUplink

• Débits théoriques

– Le tableau suivant décrit les débits pics en UL pour l’E-UTRA FDD/TDD

Source : 3GPP TR 25.814

Page 52: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesUplink

• Débits théoriques

– La figure suivante présente le débit atteignable en fonction du Es/N0 reçu.

» Configuration MIMO 1x2, BP=20MHz , divers taux de codage et modulations

• La modulation QPSK est la plus avantageuse pour des valeurs de Es/N0 inférieures 7 dB

• Au-delà, la modulation 16QAM est privilégiée et permet d’atteindre un débit de 50 Mbit/s pour un Es/N0 supérieur à 23 dB

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

0

10

20

30

40

50

-5 0 5 10 15 20 25

Thr

ough

put (

Mbp

s)

Average received Es/N0 per receiver branch (dB)

QPSK R = 1/3QPSK R = 1/2QPSK R = 3/416QAM R = 1/216QAM R = 3/416QAM R = 4/516QAM R = 8/9

Source : 3GPP TR 25.814

Page 53: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesUplink

• Débits théoriques

– Le LTE utilisant la technologie MIMO, il est intéressant de comparer les résultats obtenus, en termes de débit, en fonction des différentes configurations antennaires

– La figure suivante compare les débits atteignables des configurations SIMO (1x2) et MIMO (2x2) en fonction du SNR et pour une bande passante de 5 MHz

• Ci-dessous, les gains de chaque configuration pour un SNR de 24 dB, par rapport au 16QAM R=7/8 SIMO qui permet d’atteindre un débit de 10,6 Mbit/s

10 12 14 16 18 20 22 24 26 280

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

SNR (dB)

Thr

ough

put

in M

BP

S

Throughput in high SNR Region

16QAM r7/8, 16QAM r1/2 MIMO

16QAM r7/8, 16QAM r1/3 MIMO

16QAM r7/8, 16QAM r3/4 MIMO

16QAM r7/8 SIMO 1,8x1916QAM r3/4

1,6x1716QAM r1/2

1,4x14,716QAM r1/3

Gain par rapport au SIMO

Débit sur 5 Mhz en Mbit/s

Configuration 2ème

antenne

Source : 3GPP TR 25.814

Page 54: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesUplink

• Evaluation du débit

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

Source : 3GPP TR 25.814

Page 55: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesUplink

• Evaluation du débit

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

On remarque que les débits obtenus sont plus de 2x supérieurs à ceux du W-CDMA (en excluant le cas 6)

Source : 3GPP TR 25.814

Page 56: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesUplink

• Evaluation de la capacité VoIP

– Afin de définir la capacité VoIP, on procède comme suit :

» On estime le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 1% étant donnéun délai de transmission limite. En cas de dépassement de ce délai pour un paquet, l’appel est comptabilisé en tant qu’erreur.

» Si le délai de transmission de 95% des UEs, ayant un BLER inférieur à 1%, est inférieur au délai limite de 100 ms, alors on considère le critère VoIPcomme étant satisfait.

» Le nombre maximum d’UEs qui satisfont le critère précédent définit la capacité VoIP du réseau.

– Ci-dessous sont présentés les résultats des simulations de System Level pour la capacité VoIP de l’E-UTRA par rapport au W-CDMA E-DCH

» Modulation QPSK, R=2/3

A la différence des tests downlink, le scheduling dynamique n’a pas été implémenté. On a préféré allouer à chaque UE une certaine quantité de ressources fixe dès le début des simulations.

Source : 3GPP R1-062230

Page 57: 3GPP LTE (Long Term Evolution) Physical Layer and Associated Performances

PerformancesUplink

• Evaluation de la capacité VoIP

– Les courbes ci-dessous présentent le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 1% en fonction du délai de transmission limite

W-CDMA E-DCH E-UTRA

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Delay Bound[msec]

Per

cent

age

of U

Es

with

BLE

R<1

%

70UE

75UE0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0 20 40 60 80 100

120UEs

150UEs

Source : 3GPP R1-062230 Source : 3GPP R1-062230