chap 3 wolff

Download Chap 3 Wolff

Post on 03-Aug-2015

28 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

Ya n n i c k Bo u g u e nr i c Ha r d o u i nF r a n o i s - Xa v i e r Wo l f fPrf aced Al ai nMal ober t iLTE et les rseaux 4GSo u s l a di recti ondeGuyPuj ol l e Groupe Eyrolles, 2012, ISBN : 978-2-212-12990-83Linterface radio du LTESommaire :RappelssurlecanalradioLesmodesdeduplexagedfinispourlesystmeLTE (FDDetTDD)LarchitecturedelinterfaceradioLescanauxlogiques,detransportet physiquesStructuredetrameetdimensionfrquentielleCaractristiquesclsdelinterface radio Introduction aux traitements dmission et de rceptionFigure 3-1CechapitredcritlesprincipesdelinterfaceradiodusystmeLTEetfournitaulecteurles connaissances ncessaires la comprhension de son fonctionnement.Linterfaceradioassurelerlecldetransfrerparlavoiedesairslesdonnesissuesdela couche IP associes au service demand par lutilisateur. Ce transfert doit respecter des exigences de qualit de service (latence, dbit) malgr un medium extrmement variable, tout en optimisant laccsuneressourcespectralelimite.Enoutre,ladisponibilitduspectre,variableselonles rgions du globe, impose de pouvoir sadapter diffrents types de bandes disponibles.Ce chapitre fournit une vue densemble de linterface radio du systme LTE et constitue une intro-duction aux chapitres 4 19 qui dcriront plus en dtail les couches physique et MAC. La section Rappelssurlecanalradio (p. 60)commenceparrappelerlesspcificitsducanalradio.La section Les modes de duplexage (p. 73) prsente ensuite les modes de duplexage dfinis pour le LTE et les rseaux 4G60systmeLTE.Lasection Larchitecturedelinterfaceradio (p. 78)dcritlarchitecturede linterface radio, qui organise le transfert des donnes selon une structure en couches ayant chacune un rle prcis. Les couches communiquent entre elles via des canaux, dont les caractristiques sont adaptesautypedesdonnesvhiculesetlafaondontellessonttransportes.Lesdiffrents types de canaux sont prsents la section Les canaux (p. 85). Les sections Structure de trame de linterface radio (p. 91) et La dimension frquentielle en LTE (p. 94) dcrivent respective-ment la structure de trame de linterface radio et sa dimension frquentielle, puis la section Les caractristiquesclsdelacouchephysique (p. 96)prsentesuccinctementlescaractristiques clsdelacouchephysique.Enfin,lessections Introductionauxtraitementsdmissionetde rception (p. 96) et Synthse fonctionnelle (p. 97) fournissent une vue densemble respective-ment des traitements mis en uvre en mission et rception pour la transmission de donnes, et des fonctions assures par les protocoles spcifis pour lUE.Rappels sur le canal radioEncommunications,lecanaldetransmissionreprsentetouteslestransformationssubiesparle signal entre lmetteur et le rcepteur, de par sa propagation dans le milieu de transmission, ainsi quedanslesquipementsdmissionetderception.Lecanaldetransmissiondterminela maniredontlesdonnesdoiventtremisesenformelmetteurafindesepropagerdansde bonnes conditions dans le milieu, ainsi que les traitements mettre en uvre au rcepteur afin de les dtecter correctement. Le canal de transmission est donc dune importance cl, car il dtermine une grande partie de la conception dun systme de communication.Mcanismes de propagationDans le cas des communications radio mobiles, le signal est port par une onde lectromagntique qui se propage dans lair. La puissance reue au rcepteur dpend de plusieurs effets. Les pertes de propagation (path loss, en anglais) traduisent lattnuation du signal en fonction de la distance entre lmetteur et le rcepteur, et de lenvironnement de propagation. Dans lespace libre(cest--direlorsquelondenerencontreaucunobjet),lespertesdepropagationvarient commelecarrdeladistanceentremetteuretrcepteur.Desattnuationssupplmentaires viennentsajouterdufaitdesobstaclesdanslemilieu,quiengendrentdesrflexions,diffrac-tions, diffusions et absorptionsdelonde.En particulier, la traversedemursdonne lieu des pertes additionnelles dites de pntration. Pour un environnement donn, les pertes de propaga-tion ne dpendent que de la distance d entre metteur et rcepteur, typiquement selon une loi du type suivant, o A et B sont des constantes dpendant de lenvironnement :P(d ) = A + B.log10(d ) (en dB) ; Leffet de masque (ou shadowing) est une attnuation supplmentaire qui se produit lorsquun objet degrandetaille(parexempleunetour)sinterposeentrelmetteuretlercepteur.Leffetde masquevariedoncenfonctiondesdplacementsdelUE,maiscettevariationestlentesionla rapporte la dure dun intervalle de temps de transmission (qui dure une milliseconde en LTE). Linterface radio du LTECHAPITRE 361 Lesvanouissementsrapides(fastfading)dsignentdesvariationsrapidesdelapuissance instantane reue, autour de la puissance moyenne. Ces variations proviennent du dplacement relatifdelUEetdesobjetsdanssonenvironnement,commenousleverronsplusloin.Les vanouissementsprofondspeuvententranerdespertesdepuissancereuede35 dBenmilieu urbain [Jakes, 1994]. Nanmoins, ces variations peuvent aussi augmenter la puissance reue de quelques dcibels. Pour un trajet de propagation dit distinguable (voir plus loin), deux vanouis-sements sont typiquement spars dune demi-longueur donde (soit 7,5 cm pour une frquence porteusede2 GHz),doleurqualificatifderapides.Ainsi,lapuissancereuepeutvarierde plusieurs dcibels sur quelques millisecondes si la vitesse de lUE est suffisante.Contrairement aux vanouissementsrapides,lespertesdepropagationetleffet de masque affec-tent la puissance moyenne du signal et sont relativement invariants sur une distance ou dure faible. La figure 3-2 rsume leffet de ces diffrents mcanismes sur la puissance de signal reue. On voit que la puissance dcrot rgulirement mesure que lUE sloigne de leNodeB, du fait des pertes de propagation (tapes 1 2, puis 4 5). La puissance chute ensuite brusquement lorsque le signal estmasquparlatour(tape 3),avantderemonterlorsquelUEsendgage.Lesvariationsde puissanceinstantaneduesauxvanouissementsrapidessontgalementreprsentessurun horizon bref. Elles affectent bien entendu le signal sur toute la dure du parcours de lUE.La figure 3-3 matrialise le chemin emprunt par le signal pour une position particulire de lUE. Le signal est reu via plusieurs trajets du canal, chaque trajet suivant un chemin particulier en fonc-tion des rflexions, rfractions et diffusions sur les obstacles rencontrs par londe. La figure repr-sente trois trajets principaux, dits distinguables car ils peuvent tre isols les uns des autres par le rcepteur. En ralit, les retards des trajets ne sont pas aussi bien marqus dans le temps, mais sont distribusautourdevaleursmoyennes.Cependant,ilesttoujourspossibledemodliserlecanal comme un ensemble fini de trajets distinguables dans le domaine temporel aprs chantillonnage du signal[Proakis, 2000].Chaquetrajetdistinguableestassociunretardet/ouunangledarrive moyen particulier, qui le diffrencie des autres dans le domaine temporel et/ou le domaine spatial, respectivement. En outre, chaque trajet distinguable est associ une certaine puissance moyenne, qui dpend du chemin parcouru et des interactions que londe a subies avec lenvironnement. ce titre,lestrajetscorrespondantunevuedirecteentrelmetteuretlercepteur,ouLineofSight(LOS),sontreusavecunepuissancenettementsuprieurecelledestrajetsreusviades rflexions, diffractions ou diffusions (dits Non Line of Sight, NLOS).Chaque trajet distinguable est la somme dun ensemble de rayons rflchis, diffracts ou diffuss sur une mme zone dun obstacle donn. Notons que seuls les rayons extrmes de chaque trajet sont reprsentssurlafigure3-3.Chaquerayonpossdeunretardetunangledarrivequiluisont propres, proches de ceux du trajet distinguable mais avec lesquels la diffrence est trop faible pour pouvoir les sparer. Lesrayonssontlorigineduphnomnedvanouissementsrapides,quenousdcrivonsla sectionsuivante,tandisquelesretardsdiffrentsdestrajetsdistinguablescrentlesphnomnes dinterfrence entre symboles et de slectivit en frquence, dcrits la section Interfrence entre symboles et slectivit en frquence (p. 65). Enfin, la dimension angulaire des trajets fait lobjet de la section Aspects spatiaux (p. 66).LTE et les rseaux 4G62Figure 3-2 volution de la puissance reueen fonction du dplacementdans lenvironnement Linterface radio du LTECHAPITRE 363Figure 3-3 Trajets multiples et slectivit en frquence du canalvanouissements rapides et diversitLa diffrence de retard entre les rayons dun trajet distinguable, aussi faible soit-elle, engendre une diffrencedephaseentrelesrayonsauniveauduneantennederception.uninstantdonn, lattnuation du signal sur un trajet distinguable dpend donc de la somme des phases des rayons qui le composent. Ces dernires peuvent sadditionner en phase pour donner des vanouissements constructifs, on parle alors de combinaison cohrente, ou en opposition de phase pour donner alors des vanouissements destructifs. La notion de combinaison cohrente est importante en communi-cations numriques et est rappele la page suivante.La phase de chaque rayon volue une vitesse spcifique, fonction de langle darrive du rayon avec la direction de dplacement du rcepteur suivant leffet Doppler. Lorsque lUE ou les objets dans son environnement se dplacent, la combinaison des phases varie rapidement pour donner le phnomne desvanouissementsrapides,alternativementconstructifsetdestructifs.OnpeutainsivoirlUE comme se dplaant dans un motif spatial dvanouissements constructifs et destructifs. Puisque les phases et angles darrive des rayons dun trajet distinguable sont indpendants de celles dun autre trajet, les vanouissements rapides affectant deux trajets distinguables sont indpendants. On dfinit le temps de cohrence du canal comme la dure pendant laquelle il reste sensiblement invariant.Cetteindpendancedestrajetsestexploitepourrduireleseffetsngatifsdesvanouissements rapides,viacequonappelleladiversit.Ladiversitestunconceptgnralencommunications LTE et les rseaux 4G64numriques, qui traduit le fait quun mme bit dinformation fait lexprience de plusieurs ralisa-tions indpendantes du canal au cours de sa transmission. Lordre de diversit dsign