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

3GPP Long Term Evolution

_________

Etude de la couche physique et des
performances

Plan de l’étude

Introduction

I. Etude de la couche physique : concepts implémentés

II. Performances

Introduction
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

UMTS HSDPA HSUPA LTE
Débit DL 384 kbps Débit pic DL 14 Mbps Débit pic UL 5.7 Mbps Débit pic DL 100 Mbps
Débit UL 128 kbps Débit pic UL 50 Mbps
RTT ~ 100ms RTT ~ 50ms
RTT ~ 150ms RTT ~ 10ms

3GPP 3GPP 3GPP 3GPP
Release 99 Release 5 Release 6 Release 7/8

2003/2004 2005/2006 2007/2008 2009/2010

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

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 Packet
Core)

– Une nouvelle architecture protocolaire radio
» Réduction de la complexité
» Suppression des canaux dédiés

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

Structure 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


• 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

One radio frame, Tf = 307200×Ts=10 ms

One slot, Tslot = 15360×Ts = 0.5 ms

#0 #1 #2 #3 #18 #19

One subframe

Source : 3GPP TR 36.211


• 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 Guard
Period lors des passages des slots UL à DL et réciproquement
One radio frame, Tf = 307200×Ts

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

UpPTS
DwPTS
Guard
period

Downlink 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
5 MHz Bandwidth
FFT
La largeur du spectre s’étend de 1,25 à 20 MHz
Sub-carriers

Guard Intervals
…
Symbols
Frequency

…
Time Source : 3GPP TR 25.892

Downlink 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 canal Modulation des Modulation Insertion des
Interleaving symboles OFDM intervalles de
(IFFT) temps

Décodage Démodulation Démodulation Retrait des
canal des symboles OFDM intervalles de
De-interleaving (FFT) temps

Downlink 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

Downlink 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

Downlink 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.
Q AM
m odulator

.
e jω t 0
.
• ωn est la nième fréquence de sous-porteuse
.

Σ
Q AM
s (t)
m odulator

• 1/Tu est le Débit Symboles QAM
e jω nt
.
.
.

Q AM

• L’espacement inter-porteuses est constant
m odulator

e jω
Sym bol rate = 1/T u N − 1t
s
sym bols/sec

– Génération pratique
• Un signal OFDM est généré en utilisant l’IFFT processing.
mTu (m+1)Tu
time
• a(mN+n) est le symbole modulé de la
a(mN + 0)
nième sous-porteuse durant la période de
mTu (m+1)Tu
a(mN + 1) time
temps mTu<t ≤(m+1)Tu
a(mN + 2)
sm(0), sm(1), sm(2), …, sm(N-1)
IFFT
• Sm est défini comme étant le symbole
.
.
OFDM utile, il est la superposition des N
sm
.

sous-porteuses modulées
a(mN + N-1)

Downlink 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 :
• 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
Source : Modulations multi-porteuses, Annick Le Glaunec

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

Downlink OFDMA

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

– Préfixe cyclique

– Durée d’un symbole

– Espacement inter-porteuse

Downlink 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
OFDM symbol sm

Prefix length

Le préfixe cyclique est généré en utilisant
Useful OFDM symbol duration

le dernier bloc de Np échantillons du
symbole OFDM

copy Source : 3GPP TR 25.892

Downlink 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

Downlink 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

Downlink 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

Downlink 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

• 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
Resource element
One resource block,
NRB subcarriers
NDL subcarriers

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

• Un symbole OFDM s’étale sur 12 sous-porteuses pendant une
durée Ts/Nsymb
•
•Un signal OFDM occupe entre 72 et 2048 sous-porteuses
DL
N symb OFDM symbols


Downlink OFDMA

– 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
CP court

• Ts=66,67 s
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
0.5ms • CP long=16,67 s
CP long

• CP court=5,21 s pour le premier, puis 4,69 s
S1 S2 S3 S4 S5 S6
pour les suivants
0.5ms
Cyclic Prefix

OFDM symbol

Downlink 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 :
Frequency domain
• Les First Reference Symbols sont localisés dans le
premier symbole OFDM de chaque slot DL
D R1 D D D D D R1 D D D D D R1 D D D D D
D D D D D D D D D D D D D D D D D D D

• Les Second Reference Symbols sont localisés dans
0.5 ms
l’antépénultième symbole OFDM de chaque slot
D D D D R2 D D D D D R2 D D D D D R2 D D
• L’écart fréquentiel entre chaque symbole de
référence est de 6 sous-porteuses
R1 : First reference symbol R2 : Second reference symbol D : Data


Downlink OFDMA

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


Downlink 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-frames
en 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 broadcast
multicellulaire ou aux très grandes cellules, de manière à contrer les
retards plus importants dus au multipath

Downlink OFDMA

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


Uplink 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 Subcarrier M-point Ajout DAC
DFT mapping IDFT CP

N-point Subcarrier M-point Suppr ADC
demapping
IDFT DFT CP
equalizat°

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

Uplink 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

Source : 3GPP TR 25.814 Source : 3GPP R1-050248

– 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

Uplink 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

Uplink 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

Uplink 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.

Uplink 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

• Le transmetteur convertit le signal d’entrée
SC-FDMA mode localisé
binaire en une suite de symboles complexes
modulés, regroupés en un bloc de M symboles
0
m bits
1
0
Bit to x(0,n) fo
Constellation 0
Mapping
• Une DFT à M points permet ensuite
0
f1
m bits 0
2
Bit to x(1,n)
d’obtenir une représentation fréquentielle
Incoming Bit Constellation
Parallel to
N-point
Serial to Add cyclic
Stream Mapping M-point f M / 2−1
Parallel Serial
IFFT prefix
des symboles d’entrée
FFT
Converter converter
fM / 2

f M−2
m bits 0
M
Bit to x(M- 1,n) 0
• Chacune des M sorties de la DFT est
Constellation
0
fM−1
Mapping
0
transposée sur une des N sous-porteuses
0

orthogonales

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

Uplink SC-FDMA

– 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

N symb − 3 N symb − 2 N symb − 1
UL UL UL
0 1 2 3

Modulation symbol au ,N symb
Source : 3GPP TR 36.211 UL

Uplink SC-FDMA

– 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

Uplink SC-FDMA

– Les signaux de référence étant donc transmis sur les deux short blocks
d’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 • La structure localisée dans laquelle les signaux
occupent une portion de spectre combinée occupent une portion de spectre continue

Uplink SC-FDMA

– 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

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

Orthogonalité fréquentielle Orthogonalité par code

Uplink SC-FDMA

• Paramétrage
– Pour la structure de trame générique


Uplink SC-FDMA

• Paramétrage
– Pour la structure de trame alternative


Performances
Downlink

• 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 :

Type de trafic Taux d’erreur limite
HTTP – Navigation Web (TCP) 2% de taux de coupure - Débit utilisateur packet call < P
P=128Kbps pour une BP>2.5MHz sinon P=32Kbps

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

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

S Kbps Streaming Vidéo 2% de taux de coupure avec plus de 2% de paquets perdus
S=128 pour une BP >2.5MHz sinon
64
Vidéo Conferencing Audio : Comme la VoIP
Vidéo ; Comme le Streaming Vidéo

Performances
Downlink

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


Performances
Downlink

– 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
120
• La modulation QPSK est la plus avantageuse
QRM-MLD using ASESS
pour des valeurs de Es/N0 variant de 0 à 11 dB
MMSE
100
QPSK R = 1/2
• Pour des valeurs de Es/N0 de 11 à 20 dB, c’est
QPSK R = 2/3
QPSK R = 3/4
Throughput (Mbps)

la modulation 16QAM qui donne le meilleur débit
80 16QAM R = 1/2
16QAM R = 2/3
16QAM R = 3/4
• Pour un Es/N0 supérieur à 20 dB, la modulation
16QAM R = 4/5
60 64QAM R = 2/3
64QAM est préférable et permet d’atteindre le
64QAM R = 3/4
64QAM R = 4/5
débit requis de 100 Mbit/s
40

• Pour chaque modulation, l’augmentation
20
progressive du Es/N0 permet l’utilisation de taux
de codage de plus en plus élevés
0
0 5 10 15 20 25 30
Average received Es/N0 per receiver branch (dB)

Performances
Downlink

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

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

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

• Dans le cas C : la configuration
(1,2) (2,2) (2,4) (4,4) (1,2) (2,2) (2,4) (4,4) (1,2) (2,2) (2,4) (4,4) MIMO 2x2 suffit
Ces résultats montrent donc que les paramètres en
DL doivent être adaptés aux différents scénarios de
déploiement

Performances
Downlink

• 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 :
Référence
OFDM 0.5 ms TTI OFDM 0.5 ms TTI OFDM 0.5 ms TTI
Vitesse WCDMA
Cas Sous bandes de 375 KHz Sous bandes de 563 KHz Sous bandes de 1125 KHz
[km/h] Type I
[b/s/Hz] (bps/Hz) [b/s/Hz]
[b/s/Hz]

1 3 0.988 1.840 (+86%) 1.782 (+80%) 1.560 (+58%)

2 30 0.664 1.510 (+127%) - 1.260 (+90%)

3 3 0.922 1.620 (+76%) - -

Performances
Downlink

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


Performances
Downlink

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 à
l’utilisation du MIMO 2x2, d’un TTI
plus long et/ou moins de
signalisation.

Performances
Downlink

• 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 donné
un 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 VoIP
comme 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


Performances
Downlink

– Les courbes ci-dessous présentent le pourcentage d’UEs ayant un BLER
inférieur à 2% en fonction du délai de transmission limite
Rel.6
Rel.5
1 1

0.95 0.95
Percentage of UEs with BLER<2%

0.9

Percentage of UEs with BLER<2%
0.9

0.85 0.85

0.8 0.8

0.75
0.75
0.7
0.7
0.65
0.65
0.6
120 UEs 0.6
195 UEs
125 UEs
0.55
200 UEs
0.55
130 UEs
205 UEs
0.5
0.5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Delay Bound [msec]
Delay Bound [msec]

Source : 3GPP R1-062511 Source : 3GPP R1-062511
E-UTRA
1

0.9

0.8
Perc en t a ge o f UEs with BLER<2 %

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2 400 UEs
420 UEs
0.1
440 UEs

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


Performances
Uplink

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


Performances
Uplink

– 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
50
pour des valeurs de Es/N0 inférieures 7 dB
QPSK R = 1/3
QPSK R = 1/2
Throughput (Mbps)

40 QPSK R = 3/4
• Au-delà, la modulation 16QAM est privilégiée
16QAM R = 1/2
et permet d’atteindre un débit de 50 Mbit/s
16QAM R = 3/4
16QAM R = 4/5
30 pour un Es/N0 supérieur à 23 dB
16QAM R = 8/9

• Pour chaque modulation, l’augmentation
20
progressive du Es/N0 permet l’utilisation de taux
de codage de plus en plus élevés
10

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

Performances
Uplink

– 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
Throughput in high SNR Region

• Ci-dessous, les gains de chaque configuration
20

18
pour un SNR de 24 dB, par rapport au 16QAM
16
R=7/8 SIMO qui permet d’atteindre un débit de
14
10,6 Mbit/s
Throughput in MBPS

12

10 Configuration 2ème Débit sur 5 Mhz en Gain par rapport au
antenne Mbit/s SIMO
8

16QAM r1/3 14,7 1,4x
6
16QAM r7/8, 16QAM r1/2 MIMO
4
16QAM r1/2 17 1,6x
2
16QAM r7/8 SIMO
16QAM r3/4 19 1,8x
0
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
SNR (dB)


Performances
Uplink



Performances
Uplink



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

Performances
Uplink

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

» On estime le pourcentage d’UEs ayant un BLER inférieur à 1% étant donné
un 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 VoIP
comme 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 Source : 3GPP R1-062230

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.

Performances
Uplink

– 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
1.00 1.00

0.95 0.95

0.90 0.90
Percentage of UEs withBLER<1%

0.85 0.85

0.80 0.80

0.75 0.75

0.70 0.70

0.65 0.65

0.60 0.60
120UEs
70UE
0.55 150UEs
0.55
75UE
0.50 0.50
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 20 40 60 80 100
Delay Bound[msec]

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

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