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1 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : Techniques et systèmes de transmission Cours de Restructuration II 5 ème année RT Alexandre Boyer

2 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 2 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 Sommaire

3 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT Architecture UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Core Network Radio Network Subsystem (RNS) Radio Network Controller (RNC) Node B User Equipment (UE) Radio Network Controller (RNC) 3

4 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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). 4

5 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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. Facteur détalement : Emission sous le seuil de bruit, en fonction de SF. Signal étalé W Signal original fréquence R

6 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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. Amplifié par SF Quasi nul Gain de traitement ou Processing gain : Signal étalé W Signal desétalé fréquence R PG 6

7 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 7 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 Brouillage Données Données étalées 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 WCDMA – Codes orthogonaux 7 En liaison descendante : discrimination par les codes OVSF. En liaison montante : discrimination par les codes de brouillage.

8 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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 : Affaiblissement de parcours (terrain plat) Effet de masque, géométrie non uniforme évanouissement rapide (aléatoire) Tx Rx d Valeur moyenne > 10 dB Multi-trajet Modèle déterministe Modèle statistique 8

9 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT Slow/fast fading Distance (km) Champ électrique (dBµV/m) λ Modèle terrain plat 0 Masquage des immeubles – fading lent ou log normal Fading de Rayleigh ou rapide λ 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 Sources de perturbations du canal hertzien 9

10 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 10 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: μ x 2σ2σ temps Marge à ajouter dans le bilan de liaison Quelques chiffres : Fast fading : σ = 5 – 7 dB Slow fading : σ = 5 – 12 dB Sources de perturbations du canal hertzien

11 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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. 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. 11

12 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT Solutions apportées par linterface radio WCDMA 12 Récepteur rake En raison de la propagation multi-trajet, le signal est reçu plusieurs fois. 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. Dans un système UMTS, si le délai entre 2 « paquets » dénergie > durée dun chip (0.26 µs), il est possible de les différencier, puis de les combiner par un récepteur à corrélation. Δt = 0.26 µsΔd = 78 m

13 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 13 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) Récepteur dual A B d E (dBµV/m) x (m) PAPA PBPB P div Temps Puissance P B moyen P A moyen P div moyen Gain de diversité S Solutions apportées par linterface radio WCDMA Le gain de diversité à lamélioration par rapport au cas où la diversité ne serait pas exploitée.

14 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT Solutions apportées par linterface radio WCDMA 14 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) …

15 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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. 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 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. 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). 15

16 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 16 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). 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). Effet négligeable Dans un environnement donné, plus la vitesse augmente, plus le rapport Eb/No à atteindre pour garantir une qualité de service constante. Solutions apportées par linterface radio WCDMA Power control – Effet de la vitesse

17 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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 : I total_old +ΔI : niveau dinterférence total résultant de lentrée de lutilisateur I max : noise rise maximum et si : Contrainte sur la puissance : Contrainte sur le débit : ηUL et ηDL : facteurs de charge sur les liaisons montantes et descendantes Δη : facteur de charge de la nouvelle demande 17

18 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 18 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 p 237): t Ec/Io canal CPICH Window_add Window_drop Add cell2 Add cell3 Remove cell1 & cell3 Window_drop Connecté à cell1 Connecté à cell1,2,3 Connecté à cell2 cell1 cell2 cell3 Window_add = 1 – 3 dB Window_drop = 2 – 5 dB

19 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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 ! Le Soft Handover Overhead (%) est une métrique quantifiant lactivité de soft handover, et donc le surplus de ressources nécessaires. Un SHOO typique est compris entre 20 et 40 %. N : le nombre max de connexion dune mobile avec des stations de base Pn : probabilité quun mobile soit connecté à n stations de base. 19

20 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 20 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

21 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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. 21

22 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT Dimensionnement & Planification du sous-système radio Processus typique (GSM, GPRS) Dimensionnement Position, taille, capacité des BTS Allocation fréquences, (codes), paramétrage BTS Implantation réseau fixe Données, hypothèses trafic Planification (calcul analytique, simulation) Déploiement sur terrain, optimisation Prévisions des performances et optimisation Estimation des coûts et des équipements 22

23 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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. 23

24 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT 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) Calcul analytique ou simulation numérique : Bilan de liaison 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 24

25 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT Dimensionnement & Planification du sous-système radio Processus pour un système en CDMA (liaison montante) Hypothèses traficTaille cellule R Nombre de canaux / codes nécessaires Estimation Noise rise NR Bilan de liaison Path loss max Couverture cellule R R > R ? NR < max(NR) ? OK oui non oui non 25

26 APP de Techniques et Système de Transmission - 5e année RT Dimensionnement & Planification du sous-système radio Processus pour un système en CDMA (liaison descendante) Hypothèses traficTaille cellule R Nombre de canaux nécessaires Estimation puissance par liaison Calcul puissance BTS Pbts Bilan de liaison Path loss max Couverture cellule R Pbts R ? OK oui non 26


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