Transcript GEI - Alexandre Boyer

Techniques et systèmes de
transmission
Cours de Restructuration II
5ème année RT
Alexandre Boyer
135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.95.13 – Fax : 05.61.55.95.00 - www.insa-toulouse.fr
Sommaire
Sommaire
• UTRAN
• Rappel sur le CDMA
• Sources de perturbations du canal hertzien
• Bilan de liaison
• Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
• Dimensionnement et planification du sous système radio
APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT
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Architecture UTRAN
UMTS Terrestrial Radio Access Network
Core Network
Radio Network
Controller (RNC)
Radio Network
Controller (RNC)
Radio Network
Subsystem (RNS)
Node B
Node B
User Equipment
(UE)
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WCDMA
 Accès multiple par répartition de code
(CDMA).
 Utilisation plus efficace du spectre
 Partage de la puissance et de
l’interférence.
Utilisateur 3
Utilisateur 2
t em
ps
 Modulation à séquence directe :
l’utilisation de codes uniques, pseudoaléatoires et orthogonaux permet de
séparer les utilisateurs.
Utilisateur N
…
 Tous les utilisateurs émettent
simultanément sur la même bande de
fréquence.
Utilisateur 1
fréquence
 W-CDMA = Wide band CDMA (5 MHz).
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WCDMA – Etalement spectral
 Multiplication du signal à transmettre par un code pseudo-aléatoire de
débit supérieur au signal informatif (débit R) et présentant de
nombreuses transitions.
 Un bit du code = Chip. Débit binaire du code = Chip Rate.
 Chip Rate en WCDMA : W = 3.84 Mchips/s.
 Conséquence de la multiplication du signal informatif par un code
pseudo-aléatoire : étalement de spectre.
Signal
original
Signal
étalé
R
 Facteur d’étalement :
W
SF 
R
 Emission sous le seuil de bruit, en fonction de SF.
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W
fréquence
WCDMA – Desétalement et Processing gain
 Le signal reçu est multiplié par le code d’étalement pour extraire le
signal utile et supprimer la contribution des autres émetteurs.
 Utilisation d’un récepteur à corrélation, parfaitement synchronisé avec
le signal étalé.
Signal
étalé

SF
0
u[n]dn
Signal
Désétalé
Amplifié
par SF
code
Quasi nul
 Gain de traitement ou Processing gain :
Signal
étalé
PG
W 
PG  10 logSF   10 log 
R
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Signal
desétalé
R
fréquence
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WCDMA – Codes orthogonaux
 Des codes différents sont attribués pour chaque utilisateur afin de les
discriminer.
 Ces codes sont idéalement orthogonaux, ou présentant une faible
intercorrélation : cf doc Techniques de l’Ingénieur – « Systèmes UMTS »
 En UMTS : utilisation de codes Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF)
pour étaler puis codes de brouillage (scrambling code) pour le caractère
pseudo-aléatoire.
Données
Etalement par
code OVSF
Brouillage
Données
étalées
 L’utilisation des codes OVSF suppose une parfaite synchronisation des codes
émis, possibles uniquement en liaison descendante !
 En liaison descendante : discrimination par les codes OVSF.
 En liaison montante : discrimination par les codes de brouillage.
 Dans la pratique, les codes ne sont pas parfaitement orthogonaux et la
propagation multi-trajet conduit à dégrader l’orthogonalité entre les séquences
de codage.
 Caractérisation par un facteur d’orthogonalité compris en 0 et 1
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7
Sources de perturbations du canal hertzien
 L’environnement produit une atténuation du signal = Perte de Propagation
L.
 Dans la plupart des cas, celui-ci est difficile à déterminer avec précision, en
raison de la complexité des environnements de propagation et des effets
physiques.
Modèle
déterministe
 Forme générale :
Modèle
statistique
L  path loss( f , d )  as  a f
Affaiblissement de
parcours (terrain plat)
Effet de masque,
géométrie non uniforme
évanouissement
rapide (aléatoire)
Valeur moyenne
Multi-trajet
> 10 dB
d
Tx
Rx
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Sources de perturbations du canal hertzien
Slow/fast fading
 Dans le cas de propagation en non visibilité :
Fading de Rayleigh
ou rapide
 Slow fading : lié aux obstacles larges
 Fast fading : lié aux phénomènes de
multitrajet et objets en mouvement
10
0
-10
-20
≈10λ
Champ électrique
(dBµV/m)
100
100 - 1000λ
80
60
Modèle terrain
plat
40
20
0
1
Masquage des immeubles
– fading lent ou log
normal
10
Distance (km)
100
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Sources de perturbations du canal hertzien
Slow/fast fading
 Comment prendre en compte dans un bilan de liaison des grandeurs aléatoires ?
 Caractérisation de ces effets par une loi statistique gaussienne ou log-normale:
p ( x) 
 x   

exp
2


2 2

2
x




x
μ
Marge à ajouter dans
le bilan de liaison
 Quelques chiffres :
2σ
temps
 Fast fading : σ = 5 – 7 dB
 Slow fading : σ = 5 – 12 dB
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Bilan de liaison et marges
Bilan de liaison - Lien montant
 Le bilan de liaison et la somme de la
puissance émise et de tous les gains et les
pertes rencontrés jusqu'au récepteur, ainsi
que les marges ajoutées par le
concepteur.
Pr  Pe  Le  Ge  Lp  Gr  Lr
Service de voix à 12.2 Kbits/s
Transm etteur = m obile
Pmax (mW )
Pmax (dBm)
Antenna gain (dBi)
Body loss (dB)
PIRE (dBm)
0,125
20,96910013
0
3
17,96910013
Récepteur = station de base
 La planification cellulaire dans un système
W-CDMA consiste à prendre en compte
dans le calcul du bilan de puissance les
marges nécessaires pour qu’un mobile
ne se trouve jamais hors de la zone de
couverture prévue.
 Par exemple, la marge d’interférence
pour compenser le noise rise provoqué
par les autres utilisateurs.
chip rate (Chips/s)
Bit rate (Bits/s)
Thermal noise floor
Noise figure (dB)
Noise floor (dBm)
Interference margin (dB)
Processing gain (dB)
Eb/No target (dB)
Receiver sensitivity (dBm)
Antenna gain (dBi)
Cable loss (dB)
Fast fading margin (dB)
Ma x Pa th loss
Log-normal fading margin (dB)
Soft hadover gain (dB)
In car loss (dB)
Allow e d pa th loss in ce ll ra nge (dB)
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3840000
12200
-108,1339169
5
-103,1339169
3
24,97971394
5
-120,1136309
18
2
0
154,082731
7,3
3
8
141,782731
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Récepteur rake
 En raison de la propagation multi-trajet, le signal est reçu plusieurs fois.
 Dans un système UMTS, si le délai entre 2 « paquets » d’énergie > durée d’un
chip (0.26 µs), il est possible de les différencier, puis de les combiner par un
récepteur à corrélation.
Δt = 0.26 µs
Δd = 78 m
 Récepteur Rake :
 Récepteur à plusieurs « doigts »
indépendants
 Les différents trains du signal reçu
sont séparés en entrée par un filtre.
 Chaque doigt décode et désétale un
train de signal donné.
 Les différents signaux résultants sont
enfin combinés.
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Gain de diversité
 Dans le cadre d’une propagation multi-trajet, les différents chemins n’ont pas
les mêmes caractéristiques (peu corrélés dans l’espace et dans le temps).
 Afin de combattre les phénomènes de fading, il est possible d’exploiter la
diversité naturelle des différents chemins de propagation :
 Diversité d’antenne
 Macro diversité (gain de soft handover)
 Le gain de diversité à l’amélioration par rapport au cas où la diversité ne serait
pas exploitée.
A
E
(dBµV/m)
Récepteur
dual
B
Puissance
Pdiv
Pdiv moyen
PB
d
Gain de
diversité S
PA
PA moyen
PB moyen
x (m)
Temps
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Radio Ressources Management (RRM)
 Les algorithmes mis en œuvre dand la RRM garantissent une utilisation plus
efficace de l’interface radio, la QoS, la couverture prévue et une forte capacité.
 Voir chapitre 9.
 Algorithmes mis en œuvre:
 Power control (quelle puissance émettre ?)
 Handover control (connexion simultanée à combien de cellules ?)
 Admission control (quels critères pour se connecter à une BS sans dégrader
la couverture et la QoS ?)
 Load control (comment éviter ou gérer les situations de congestion)
 …
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Power control (p 224)
 Deux problèmes majeurs dans les réseaux cellulaires :
 Comment éviter qu’un mobile bloque les autres liaisons montantes ?
 Comment lutter contre le fast / slow fading ?
 La norme UMTS met en place un algorithme complexe de contrôle de la
puissance d’émission afin de réduire les niveaux d’interférence et maintenir une
qualité de service constante.
 Fast Power Control (Closed-loop power control) : en liaison montante et
descendante, à la fréquence de 1.5 KHz, la puissance d’émission est réglée pour
maintenir un rapport S/I constant. Une limite est fixée (power control
headroom).
 Cette technique compense le fast fading …
 … au prix d’une augmentation de la puissance transmise. Une marge «
Fast Fading Margin » doit être prévue dans le bilan de liaison.
 Outer-loop power control : en liaison montante et descendante, le rapport
S/I target est réactualisé à fréquence faible (10 – 100 Hz) afin de maintenir
une qualité constante. En augmentant le S/I target, la puissance d’émission
augmentera
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Power control – Effet de la vitesse
 La mise en mouvement d’une station mobile conduit à un effet Doppler qui
décale les fréquences (176 Hz à 1.9 GHz pour une vitesse de 100 km/h).
Effet négligeable
 Les caractéristiques du fast fading (sa durée) dépendent directement de la
vitesse du mobile
 Plus la vitesse du mobile augmente, moins le fast power control est efficace,
car il n’est plus capable de compenser le fast fading.
 On tient compte de la marge de fast fading uniquement pour des mobiles lents
(couverture limitée pour les mobiles lents).
 Dans un environnement donné, plus la vitesse augmente, plus le rapport Eb/No
à atteindre pour garantir une qualité de service constante.
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Contrôle d’admission
 Afin de limiter la dégradation des performances par l’entrée d’un nouvel
utilisateur, une demande d’admission n’est acceptée que si :
Contrainte sur la puissance :
Itotal _ old  I  I max
 Itotal_old+ΔI : niveau d’interférence total
résultant de l’entrée de l’utilisateur
 Imax : noise rise maximum
 et si :
Contrainte sur le débit :
UL    UL _ max
 ηUL et ηDL : facteurs de charge sur les
liaisons montantes et descendantes
 DL     DL _ max
 Δη : facteur de charge de la nouvelle
demande
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Soft handover
 Dans le système UMTS, un mobile peut être connecté à plusieurs stations de
base afin d’éviter les coupures lors des changements de cellule et combattre les
évanouissement.
 Handover = ajout de diversité  Gain de Soft Handover (2 – 4 dB)
 Algorithme de soft handover (fig. 9.16 p 237):
Ec/Io
canal
CPICH
Window_add = 1 – 3 dB
Window_drop = 2 – 5 dB
cell1
Window_drop
Window_add
Window_drop
cell2
cell3
Add
cell2
Connecté à
cell1
Add
cell3
Remove
cell1 & cell3
Connecté à
cell1,2,3
t
Connecté à
cell2
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Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
Soft handover Overhead (p 244)
 Un réseau avec mécanisme de Soft Hanover nécessite de prévoir plus de
ressources matérielles, puisqu’une station mobile est connectée à plusieurs
stations de base.
 Si un mobile est connecté à trop de stations de base, la capacité en lien
descendant est réduite et l’interférence augmente !
 Le Soft Handover Overhead (%) est une métrique quantifiant l’activité de soft
handover, et donc le surplus de ressources nécessaires. Un SHOO typique est
compris entre 20 et 40 %.
N
SHOO   nPn  1
n 1
N : le nombre max de connexion d’une mobile avec des stations de base
Pn : probabilité qu’un mobile soit connecté à n stations de base.
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Misc ….
 L’interférence dans une cellule donnée dépend :
 De la puissance émise par les utilisateurs de la cellule
 Du facteur d’étalement
 De leur activité (facteur d’activité)
 Des utilisateurs des autres cellules (other cell to own cell interference
ratio)
 Le facteur d’activité = est-ce qu’on émet de manière continue ? Le facteur
d’activité dépend du service (voix ≈ 60%, données = 100 %).
 Throughput = débit moyen de transmission de donnée réussie
N
Throughput  Ri  (1  BLERi )
i 1
N : nombre d’émetteurs
Ri : débit utile par utilisateur
BLERi : taux d’erreur par bloc par utilisateur
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Dimensionnement & Planification du sous-système radio
Planification radiocellulaire
 Cette étape permet de faire la liaison entre les équipements du réseau et
l’environnement à desservir.
 Objectif : dimensionner les équipements, évaluer les performances du réseau,
vérifier le respect des contraintes (QoS, capacité), et optimiser les
configurations des équipements
 Prise en compte des données sur le terrain à couvrir, utilisation de modèles de
propagation.
 Cependant, limitation en raison du grand nombre d’informations et de la forte
variabilité
  seulement une prévision, optimisation sur terrain requise.
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Dimensionnement & Planification du sous-système radio
Processus typique (GSM, GPRS)
Données, hypothèses trafic
Dimensionnement
Estimation des coûts
et des équipements
Position, taille,
capacité des BTS
Allocation
fréquences, (codes),
paramétrage BTS
Implantation
réseau fixe
Planification (calcul
analytique, simulation)
Prévisions des
performances et
optimisation
Déploiement sur
terrain, optimisation
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Dimensionnement & Planification du sous-système radio
Processus pour un système en CDMA
 Le dimensionnement et la planification du sous-système radio sont liés en raison
du partage de la puissance et de l’interférences. De plus, le contrôle d’admission
dépend du niveau d’interférence total.
 La capacité et la sensibilité des récepteurs ne sont plus des notions figées !
 La capacité d’une cellule dépend de sa charge propre (nb, position, mobilité des
utilisateurs, services) et du trafic sur les cellules voisines.
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Dimensionnement & Planification du sous-système radio
Processus pour un système en CDMA
Caractéristiques des
utilisateurs (hypo. de trafic, de
mobilité, de services, de distribution…)
Configuration initiale du
réseau (localisation BTS, carac.
Antennes, environnement)
Bilan de liaison
Calcul analytique ou
simulation numérique :
Facteur de charge
Soft handover
Gestion puissance
Evaluation performances
(Couverture, capacité, QoS)
Optimisation (paramètres RRM, BTS,
sites, ressources spectrales…)
Contraintes QoS ?
Déploiement sur terrain, optimisation
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Dimensionnement & Planification du sous-système radio
Processus pour un système en CDMA (liaison montante)
Hypothèses trafic
Taille cellule R
Nombre de canaux /
codes nécessaires
Estimation Noise rise NR
non
Bilan de liaison
non
Path loss max 
Couverture cellule R’
R’ > R ?
NR < max(NR) ?
oui
oui
OK
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Dimensionnement & Planification du sous-système radio
Processus pour un système en CDMA (liaison descendante)
Hypothèses trafic
Taille cellule R
Nombre de canaux
nécessaires
Estimation puissance par liaison
Calcul puissance BTS Pbts
non
Bilan de liaison  Path loss
max  Couverture cellule R’
Pbts < max(Pbts) et R’ > R ?
oui
OK
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