Techniques et syst

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Techniques et systèmes de transmissionCours de
Restructuration II5ème année RT
Alexandre Boyer
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Sommaire

• Sommaire
• UTRAN
• Rappel sur le CDMA
• Sources de perturbations du canal hertzien
• Bilan de liaison
• Solutions apportées par linterface radio WCDMA
• Dimensionnement et planification du sous système
  radio

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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).
• Tous les utilisateurs émettent simultanément sur
  la même bande de fréquence.
• Modulation à séquence directe lutilisation de
  codes uniques, pseudo-aléatoires et orthogonaux
  permet de séparer les utilisateurs.
• Utilisation plus efficace du spectre
• Partage de la puissance et de linterférence.
• 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.

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WCDMA Desétalement et Processing gain

• Le signal reçu est multiplié par le code
  détalement pour extraire le signal utile et
  supprimer la contribution des autres émetteurs.
• Utilisation dun récepteur à corrélation,
  parfaitement synchronisé avec le signal étalé.

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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 lIngénieur 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.

Etalement par code OVSF
Données étalées
Brouillage
Données

• Lutilisation des codes OVSF suppose une parfaite
  synchronisation des codes émis, possibles
  uniquement en liaison descendante !

• Dans la pratique, les codes ne sont pas
  parfaitement orthogonaux et la propagation
  multi-trajet conduit à dégrader lorthogonalité
  entre les séquences de codage.
• Caractérisation par un facteur dorthogonalité
  compris en 0 et 1

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Sources de perturbations du canal hertzien

• Lenvironnement 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.
• Forme générale

Tx
Rx
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Sources de perturbations du canal hertzien
Slow/fast fading

• Dans le cas de propagation en non visibilité
• Slow fading lié aux obstacles larges
• Fast fading lié aux phénomènes de multitrajet
  et objets en mouvement

100
80
Champ électrique (dBµV/m)
60
Modèle terrain plat
40
20
0
1
10
100
Distance (km)
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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

x
µ
2s
temps
Marge à ajouter dans le bilan de liaison

• Quelques chiffres
• Fast fading s 5 7 dB
• Slow fading s 5 12 dB

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Bilan de liaison et marges

• 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.

• La planification cellulaire dans un système
  W-CDMA consiste à prendre en compte dans le
  calcul du bilan de puissance les marges
  nécessaires pour quun mobile ne se trouve jamais
  hors de la zone de couverture prévue.
• Par exemple, la marge dinterférence pour
  compenser le noise rise provoqué par les autres
  utilisateurs.

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Solutions apportées par linterface 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 dénergie gt durée dun chip (0.26 µs),
  il est possible de les différencier, puis de les
  combiner par un récepteur à corrélation.

• 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 linterface radio WCDMA
Gain de diversité

• Dans le cadre dune propagation multi-trajet, les
  différents chemins nont pas les mêmes
  caractéristiques (peu corrélés dans lespace et
  dans le temps).

• Afin de combattre les phénomènes de fading, il
  est possible dexploiter la diversité naturelle
  des différents chemins de propagation
• Diversité dantenne
• Macro diversité (gain de soft handover)

• Le gain de diversité à lamélioration par rapport
  au cas où la diversité ne serait pas exploitée.

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Solutions apportées par linterface radio WCDMA
Radio Ressources Management (RRM)

• Les algorithmes mis en œuvre dand la RRM
  garantissent une utilisation plus efficace de
  linterface 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 linterface radio WCDMA
Power control (p 224)

• Deux problèmes majeurs dans les réseaux
  cellulaires
• Comment éviter quun 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 démission afin de
  réduire les niveaux dinterférence 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 démission est
  réglée pour maintenir un rapport S/I constant.
  Une limite est fixée (power control headroom).

• Cette technique compense le fast fading
• au prix dune 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 démission
  augmentera

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Solutions apportées par linterface radio WCDMA
Power control Effet de la vitesse

• La mise en mouvement dune 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 nest 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 linterface radio WCDMA
Contrôle dadmission

• Afin de limiter la dégradation des performances
  par lentrée dun nouvel utilisateur, une demande
  dadmission nest acceptée que si

Contrainte sur la puissance

• Itotal_old?I niveau dinterférence total
  résultant de lentrée de lutilisateur
• Imax noise rise maximum

• et si

Contrainte sur le débit

• ?UL et ?DL facteurs de charge sur les liaisons
  montantes et descendantes
• ?? facteur de charge de la nouvelle demande

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Solutions apportées par linterface radio WCDMA
Soft handover

• Dans le système UMTS, un mobile peut être
  connecté à plusieurs stations de base afin
  déviter 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)

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Solutions apportées par linterface radio WCDMA
Soft handover Overhead (p 244)

• Un réseau avec mécanisme de Soft Hanover
  nécessite de prévoir plus de ressources
  matérielles, puisquune 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 linterférence augmente !

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Misc .

• Linterférence dans une cellule donnée dépend
• De la puissance émise par les utilisateurs de la
  cellule
• Du facteur détalement
• De leur activité (facteur dactivité)
• Des utilisateurs des autres cellules (other cell
  to own cell interference ratio)
• Le facteur dactivité est-ce quon émet de
  manière continue ? Le facteur dactivité dépend
  du service (voix 60, données 100 ).
• Throughput débit moyen de transmission de
  donnée réussie

N nombre démetteurs Ri débit utile par
utilisateur BLERi taux derreur 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 lenvironnement 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
  dinformations 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
Estimation des coûts et des équipements
Dimensionnement
Position, taille, capacité des BTS
Planification (calcul analytique, simulation)
Allocation fréquences, (codes), paramétrage BTS
Prévisions des performances et optimisation
Implantation réseau fixe
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 linterférences. De plus,
  le contrôle dadmission dépend du niveau
  dinterférence total.
• La capacité et la sensibilité des récepteurs ne
  sont plus des notions figées !
• La capacité dune 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
• Facteur de charge
• Soft handover
• Gestion puissance

Calcul analytique ou simulation numérique
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
Bilan de liaison
non
non
Path loss max ? Couverture cellule R
R gt R ?
NR lt 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 lt max(Pbts) et R gt R ?
oui
OK
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