Techniques et systèmes de transmission Cours de Restructuration II 5ème année RT Alexandre Boyer.

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1 Techniques et systèmes de transmission Cours de Restructuration II 5ème année RT
Alexandre Boyer

2 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

3 UMTS Terrestrial Radio Access Network
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 UTAN permet la connexion entre un utilisateur (UE) et le réseau (Core Network). User Equipment (UE) 3

4 Accès multiple par répartition de code (CDMA).
WCDMA Accès multiple par répartition de code (CDMA). Tous les utilisateurs émettent simultanément sur la même bande de fréquence. Modulation à séquence directe : l’utilisation de codes uniques, pseudo-aléatoires et orthogonaux permet de séparer les utilisateurs. Utilisation plus efficace du spectre Partage de la puissance et de l’interférence. W-CDMA = Wide band CDMA (5 MHz). 4

5 Un bit du code = Chip. Débit binaire du code = Chip Rate.
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 étalé W Signal original fréquence R Facteur d’étalement : Emission sous le seuil de bruit, en fonction de SF.

6 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. Amplifié par SF Quasi nul Le processing gain = rapport entre le SNR en sortie du système de desétalement sur celui en entrée du système de desétalement. Ce gain correspond à l’amélioration du SNR apportée par le desétalement, par rapport à un système qui ne desétalerait pas. Gain de traitement ou Processing gain : Signal étalé W Signal desétalé fréquence R PG 6

7 Etalement par code OVSF
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. Etalement par code OVSF Brouillage Données étalées Données 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. Remarque : le dimensionnement d’un réseau UMTS revient plus à un problème de planif des codes que des fréquences. Il existe un nb fini de codes d’étalement et de codes de brouillage. Pour que les codes OVSF fonctionnent, il faut une synchro parfaite entre tous les codes. Cela est possible en lien descendant (à condition d’avoir des récepteurs rake), mais pas en liaison montante. La méthode l’alloc des codes est donc différente dans les 2 sens : > en liaison descendante : le réseau utilise tous les codes d’étalement possibles et chaque cellule utilise un code de brouillage particulier, ce qui permet de différencier les cellules entre elles. > en liaison montante : chaque mobile se voit allouer un code de brouillage différent. Par ailleurs, il peut utiliser tous les codes d’étalement possible.. 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 7

8 Affaiblissement de parcours (terrain plat)
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. Forme générale : Modèle déterministe Modèle statistique Affaiblissement de parcours (terrain plat) Effet de masque, géométrie non uniforme évanouissement rapide (aléatoire) d Valeur moyenne > 10 dB Multi-trajet Tx Rx 8

9 Fading de Rayleigh ou rapide ≈10λ 100 - 1000λ Distance (km)
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 10 -10 -20 Fading de Rayleigh ou rapide ≈10λ 100 Masquage des immeubles – fading lent ou log normal λ 80 Champ électrique (dBµV/m) 60 Modèle terrain plat 40 20 1 10 100 Distance (km) 9

10 Marge à ajouter dans le bilan de liaison
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 2σ temps Marge à ajouter dans le bilan de liaison Quelques chiffres : Fast fading : σ = 5 – 7 dB Slow fading : σ = 5 – 12 dB

11 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 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. 11

12 Récepteur rake Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
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. 12

13 Gain de diversité A B Récepteur dual d
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. Récepteur dual A B d E (dBµV/m) x (m) PA PB Pdiv Temps Puissance PB moyen PA moyen Pdiv moyen Gain de diversité S

14 Radio Ressources Management (RRM)
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) … 14

15 Power control (p 224) Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
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 15

16 Power control – Effet de la vitesse
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.

17 Contrôle d’admission Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
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+ΔI : niveau d’interférence total résultant de l’entrée de l’utilisateur Imax : noise rise maximum et si : 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 Soft handover Solutions apportées par l’interface radio WCDMA
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 p 237): t Ec/Io canal CPICH Window_add Window_drop Add cell2 Add cell3 Remove cell1 & cell3 Connecté à cell1 Connecté à cell1,2,3 Connecté à cell2 cell1 cell2 cell3 Window_add = 1 – 3 dB Window_drop = 2 – 5 dB Remarque : dans cette slide, quand on parle de hadover, on parle en fait de « Intra-Mode Handover ». Le système UMTS prévoit aussi des mécanismes de « Inter-Mode Handover » où le système peut fonctionner en FDD ou en TDD, et des mécanismes de « Inter-System Handover », où le système peut switcher en GSM 900 ou 1800. 18

19 Soft handover Overhead (p 244)
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 : 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. 19

20 L’interférence dans une cellule donnée dépend :
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 : nombre d’émetteurs Ri : débit utile par utilisateur BLERi : taux d’erreur par bloc par utilisateur

21 Planification radiocellulaire
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. 21

22 Processus typique (GSM, GPRS)
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 22

23 Processus pour un système en CDMA
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. 23

24 Processus pour un système en CDMA
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…) Dans ce problème, on appellera dimensionnement l’estimation par calcul analytique de la capacité et la couverture moyenne d’une cellule isolée sans recourir à une simulation numérique. On appellera planification (détaillée) la simulation du réseau entier (ou une partie du réseau). Elle permet de prendre en compte les interactions entre cellules, de l’environnement réel, l’existence de différents services …  permet de faire une première optimisation. Contraintes QoS ? Déploiement sur terrain, optimisation 24

25 Processus pour un système en CDMA (liaison montante)
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’ NR < max(NR) ? R’ > R ? oui oui OK 25

26 Processus pour un système en CDMA (liaison descendante)
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 26