techniques acces multiples cameroun rb2015 part2 1page

7/26/2019 Techniques Acces Multiples Cameroun RB2015 PART2 1page

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Technique la plus utilise dans les rseaux sans fil

CDMA2000,)

Origine militaire (protection espionnage 2ime gue

Technique d'talement du signal sur une b a nd e d

(ISM : Industrial, Scientific and Medical), moins sen

interfrences et protection contre des coutes v

Accs par rpartition de codes CDMA78

RB2015 :


2/131

Allocation des frquences

1900-1980 MHz2010-2025 MHz2110-2170 MHz

79

RB2015 :


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Etalement de spectre

Deux techniques d'talement de spectre

FHSS : Frequency Hopping Spread Spectrum

Spectre tal saut de frquence

DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum

Spectre tal sequence directe

Rq : Incompatibles entre elles

80

RB2015 :


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talement de spectre : FHSS

Les sauts de frquence du FHSS (semble alatoire pour les autr

Originalsignal

Modulator

Frequency Table

81

RB2015 :


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talement de spectre : FHSS

Dcoupage en canaux < 1MHz (79 canaux au total, 35

Algorithme de saut ngoci au dbut (saut de frquenc

+ rgles de dure fonction des bandes (0.4s/30s bande Synchronisation parfaite metteur/rcepteur

mission sur F1puis F2 au paquet suivant, le rcepteur fait statistique de la frquence et du rcepteur un temps t)

Frquences partageables, si squence de sautdiffrent

Saut de frquence limite l'effet des interfrences (Fxp(paramtrable),

Scurit : squence de saut + BSS ID + cryptage des d(http://www.scssi.gouv.fr)

82

RB2015 :


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talement de spectre : DSSS

L'talement de spectre ralis par application d'un code redondant (utilisati

frquence + large que ncessaire)

Pour chaque bit transmettre, ajout d'un chip (longueur Xbits)

X facteur d'talement (10 dans la norme)

+ X grand, + le dcodage sera simple (correction automatique en //)

Code d'talementfournit par un gnrateur "alatoire" de longueur fixe, qurgulirement dans le temps

Code d'talement identique pour metteur/rcepteur

Scurit : Code d'talement , BSS ID, cryptage des donnes (http://www.

83

RB2015 :


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talement de spectre : DSSS84

RB2015 :


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talement de spectre : DSSS

Donnes transmettre

Code pseudo-alatoire Signal de sortie : Donnes + Codepseudo-alatoire

85

RB2015 :


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talement de spectre : Comparat

CaractristiquesSaut de Frquence

FHSSSquen

AvantagesLa +sre

Env. difficileLa +e

Env. pe

Dbit thorique (Mb/s) 1

Dbit effectif (Mb/s) 0.3 0.7 1.2

Scurit Squence de saut Code d

Taux derreur moyen 10-3

Distance maximale en intrieur 50 m 2

Distance maximale en extrieur 800 m 2

Cohabitation entre WLAN simple cont

Nb max de stations par AP 30 50 10

RemarquesPartage de la

bande passanteMdia mo

m

86

RB2015 :


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Pure CDMA

CDMA

Hybride CDMA

DS/FH TDMA/CDMA MDS/TH

FH/THDS/FH/TH

DS FH TH

Large troite

Rapide Lent

Techniques daccs CDMA87

RB2015 :


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Comparaison des Techniques de Multiple88

RB2015 :


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Spcifications

Etude de la transmission sur la voie descendante : mission et

rception.

Etude de la transmission sur la voie montante : mission etrception.

Interim Standard 95 (IS-95)est la premire norme CDMA dveloppe par Quadeuxime gnration des mobiles. Le nom de marque pour IS-95 est cdma

galement connu sous lacronyme TIA-EIA-95.

Example : IS95 (CDMAOne)89

RB2015 :


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Asymtrie des voies, codage canal, rcepteur de Rake, codes Walsh, codBande de frquence

Largeur de bande dun canal 1.25 MHz

Bande de frquence sur la voie montante 869 894 MHz et 1930 1980 MHz

Bande de frquence sur la voie descendante 824 849 MHz et 1850 1910 MHz

Dbits en bits Rate set 1 : 9.6 Kbits/s

Rate set 2 : 14.4 Kbits/s

IS-95 B : 115.2 Kbits/s

Dbit en chips 1.2288 Mchips/s

Longueur dune trame 20 ms

Nombre de doigts dans le rcepteur de Rake 4

Codes dtalement Walsh-Hadamard + m-squences longues

Soft Handover Oui

Contrle de puissance Canal montant : boucle ouverte + boucle ferme rapide

Canal descendant : contrle de puissance lent

Spcifications du systme :90

RB2015 :


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Pilot DPilot CPilot BPilot A

Canal de PilotCanal synchro

Canal de p

Canal de

Alloui!

!

Fig. 4 tat de canal de tra

Fig. 1 : tat dinitialisation

Mett re en f onctionnementle poste mo bile CDMA

Recherch e de la cellule la plus proche.

- Chaquestationde base a ununiquecanalpilote.

- Lemobilequi veut sinscrire cherche la cellule la plus

proch e avec les diffrents pilotes.

- Dans notre casla cellule A (piloteA) prsente leplusfort signal.

Rcup ration des informations du

systme via le canal de synchronisation.

Canal daccs/paging

Canal de pilotCanal de trafic

Fig. 3 : tat daccs

Canal piloteCanal daccs/

paging

Fig. 2 : tat de veille

Le mobile reoit et transmet les informations

relatives la con figuration de la parole via les

canaux de paging et daccs.

Numro tation

- Le mobile transmet le numro de son

correspon dant travers le canal daccs.

- La station de base rserve un canal de

trafic au mobile sur le canal de paging.

La commu nication peut alors commen

Cell A

Cell BCell D

Cell C

91

RB2015 :


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Type de code Fonction sur la

voie montante

Pouvoir

dtalement

sur les voies

montantes

Fonction sur la

voie

descendante

Pouvoir

dtalement

sur les voies

descendantes

Convolutif CodageCorrecteurderreurs

1/3 Codagecorrecteurderreurs

1/2 Prode la

Walsh-Hadamard

Correctionderreurs etmodulationorthogonale

6/64 Multiplexagedes abonns(codesorthogonaux)

1/64 Codla stsur mon

Pseudo-altoire

(PN)long

Multiplexage

des abonns(codesdcorrls)

1/4 Confidentialit

et brouillagedes donnes

1/1 Cr

des regidun

prop

Pseudo-altoire(PN) court

Discriminationdes stations debase par offset

N particulier

1/2 Discriminationdes stations debase par offset

N particulier

1/2 Diffgnregi

N =

Rles et fonctions des codes de la n92

RB2015 :

S h l d li i d d


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Canal pilotesquence de O

Wo

1.2288 Mc/s

Squence I

Filtre

Filtre

Squence Q

codeurconvolutif

Canal de synchro

(bits)

1.2 Kbs 2.4 Kb/s

Rptitionde symboles

4.8 Kb/s

Blocentrelaceur

R=1/2,K=9

4.8 Kb/s

W32 Squence I

Filtre

Filtre

Squence Q

codeurconvolutif

Canal de paging

(bits)

9.6 Kb/s4.8 Kb/s

19.2 Kb/s9.6 Kb/s

Rptitionde symboles

Blocentrelaceur

R=1/2,K=9

WP (1-7)

1.2288 Mc/s

Squence I

Filtre

Filtre

Squence Q

19.2 Kb/s

Masque code long de paging1.2288 Mc/s

Gnrateurde code long

Diviseur

ajout dindi-cateurs de

qualit de trame

Canal de trafic

descendant

informa tion (bits)

9.6 Kb/s4.8 Kb/s2.4 Kb/s1.2 Kb/s

R=1/2,K=9

Masque code

long usager

Gnrateur

de code long

Diviseur

ajout de 8 bitscodage de fin

de trame

Codeurconvolutif

Rptitionde symboles

Blocentrelaceur

Bits decontrle depuissance

Diviseur

Squence I

Filtre

Filtre

Squence Q19.2 Kb/s9.6 Kb/s4.8 Kb/s2.4 Kb/s

Wn

1.2288 Mc/s

19.2 Kb/s19.2 Kb/s

Schma gnral dune liaison descendante : 93

RB2015 :


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Rfrence

de frquenc

Rfren

Voie I ou Q

1.23 Mc/s

Boucle verrou illagede phase

Mmoire de N bits

Registre dcalage de Ncellules = 64

Corrlateur bit bit

Analyseur

Dmodulateur

S(t)

reu

Wo reu

Wo Rf.

Rception pilote :

Rcupration des rfrences temps et frquence .

Acquisition du PN court.

Mesure et contrle de puissance pour le handover.

Rception (cot Mobile)94

RB2015 :


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Rception du canal de synchro et de trafic

Q

I

19.2 Kb/s19.2 Kb/s

Code W32

Code Walsh de l'abonn i(division par 64)

1.23 Mc/s

Code PN court Q1.23 Mc/s

Code PN court I1.23 Mc/s

Gnrateur du code PNlong(masque abonn i)

Descentre-laceur

Synchro des trames

Dsemb-rouilleur

Dcodageconvolutif

dmux

Vers un doi

rcepteur de

1.23 Mc/s

1.23 Kb/s

tat du code long

95

RB2015 :


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ajout dindica-teurs de qualit

de trame

Canal de trafic

montant

information (bits)

0.8 kb/s2.0 kb/s4.0 kb/s8.6 kb/s

R=1/3, K=9

ajout de 8 bitsde fin de trame

Codeurconvolutif

Rptitionde symboles

Blocentrelaceur

Canal daccsinformation (bits)

1.2 Kb/s2.4 Kb/s4.8 Kb/s9.6 Kb/s

R=1/3, K=9

Masque de lusagerm


ajout de 8 bits

codage de finde trame

Codeurconvolutif Rptitionde symbolesBloc

entrelaceur

Modulateurorth ogonal de64 bits de long

Squence I

Squence Q

Dbit de donnes trame

28. 8 Kb/s

1.2288 Mc/s

4.8 Ks/s307 Kb/s

Brouilleur debursts de don-nes (D.B.R.)

Masque delusager m


Squence I

Squence Q

1.2288 Mc/sModulateurorthogonal

cT2

1

cT2

1

tude de la transmission sur la voie montantmission (cot Mobile)

96

RB2015 :


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Rception

1.23 Mc/s

1.23 Mc/s

Code PN court Qretard de j 1.23Mc/s

Q

I

Code PN court Iretard de j1.23 Mc/s

Code PN long

de l'abonn retardde j

Corrlateur4 bits

Mmoire de 64 bits

Registre dcalage de 64cellules

Corrlateur bit bit

Analyseur de canal

1.23 M chip/s

307 kc/s

97

RB2015 :


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Dcodage du trafic d'un abonn sur la voie montante

voie 2

voie 3

voie 4

Voie d'analyse

numro 1 retenupour l'abonn i

A4

A3

A2

A1

VersVite

W1

W64

W2

Logiquecombinatoire du

RAKE

Rception98

RB2015 :


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Rcepteurs CDMA

Rcepteurs CDMA

Mono-utilisateur

Dtection

Linaire

Rcepteur Optimal

Dte

Non L

RcepteurSous-Optimal

Conv. Dc. MMSE

SuppressionParallle des

Interfrences PIC

Rce pteurs CDMA

Multi-utilisateurs

DtecteurLMS

Maximum devraisemblance

DtecteurCMA

ZF

SuppreInter Mu

Dtectionfixe

Dtectionadaptative

Dtection Multi-Utilisateurs et probl99

RB2015 :


23/131

OFDM & OFDMA

100

RB2015 :


24/131

Basics of Radio Propagation

Distance

Power

10-100 m(1-10 secs)

0.1 -1 m(10-100 msecs)

Exponential

Long-term Fading

Short-term Fading

101

RB2015 :


25/131

Multi-path Propagation

r(t) = 0 s(t-0) + 1 s(t-1) + 2 s(t-2) + 3 s(t-3)

102

RB2015 :


26/131

Multi-path Propagation

r(t) = 0 s(t-0) + 1 s(t-1) + 2 s(t-2) + 3 s(t-3)

0

channelInput

(Tx signal)Output

(Rx signa

ImpulseResponse h(t)

3 -0

time

3

freq.

FrequencyResponse H(f)

103

RB2015 :


27/131

Frequency Selective Fading

Time2.0 secs 2.5 secs 3.0secs

Fading

Frequency Selective Fading Channels can provide- time diversity (can be exploited in DS-CDMA)- frequency diversity (can be exploited in OFDM)

104

RB2015 :


28/131

TDMA, CDMA, and OFDM Wireless S

Time Division Multiple Access (TDMA) is the most preva

accesssystemto date GSM, ANSI-136, EDGE, DECT,PHS, Tetra

Direct Sequence Code Division Multiple Accessbecame commercial only in the mid 90s

IS-95 (A,B, HDR,1x,3x,...), cdma-2000 (3GPP2), W-CDMA (3GP

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) isleastwell known

can be viewed asa spectrallyefficient FDMA techniq

IEEE802.11A, .11G, HiperLAN, IEEE802.16 OFDM/OFDMA op

105

RB2015 :


29/131

TDMA (with FDMA) Principle

Power

Time

Fre

Time-slots

Carriers

106

RB2015 :


30/131

Direct Sequence CDMA Principle(with FDMA)

Power

Time

User CodeWaveforms

107

RB2015 :


31/131

OFDM (with TDMA & FDMA) Principl

Power

TimeTime-slots

Carriers

108

RB2015 :


32/131

What is an OFDM System ?

Data is transmitted in parallel on multiple carriersthat overlap in frequency

109

RB2015 :


33/131

Generic OFDM Transmitter

FEC IFFT

DAC

LinePA

add cyclic extension

bits

fc

OFDM symbol

Pulse shaper

&

view this as a time tofrequency mapper

Complexity (cost) is transferred back from the digital to the analog domai

Serial toParallel

110

RB2015 :


34/131

OFDM Transmitter

S/P acts as Time/Frequency mapper

Add

Cyclic

Prefix

Serial/

Parallel

]0,[ns

]1,[ns

],[ Nns

Parallel/

SerialIFFT

]0,[nd

]1,[nd

],[ Nnd

IFFT generates the required Time domain waveform

Cyclic Prefix acts like guard interval and makes equalizatio(FFT-cyclic convolution vs channel-linear convolution)

=

=1

0

2

],[1

],[N

k

N

kij

eknsN

ind

111

RB2015 :


35/131

OFDM Receiver

Cyclic Prefix is discarded

=

=1

0

2

],['1

],[N

i

N

ikj

eindN

knr

FFT

]0,[nr

]1,[nr

],[ Nnr

Parallel/

Serial

Serial/

Parallel

RemoveCyclic

Prefix

]0,[' nd

]1,['

nd

],[' Nnd

FFT generates the required Frequency Domain signal

P/S acts like a Frequency/Time Mapper

112

RB2015 :


36/131

Generic OFDM Receiver

AGC

fc

VCO

Sampler FFTE

gross offset

Slot &

fine offset

Freq. Offset

Estimation

TimingSync.

(of all tones sent in one OFDM

ReP/S and

Detection

113

RB2015 :


37/131

OFDM Basics

To maintain orthogonality where

= sub-carrier spacing = symbol duration

IfN-point IDFT (or FFT) is used

Total bandwidth (in Hz) =

= symbol duration after CPaddition

fT

s

=1

f

sT

fNW =

CPS TT +

114

RB2015 :


38/131

Condition for Orthogonality

Time

T

Base frequency = 1/T

T= symbol period

115

RB2015 :


39/131

OFDM Basics

If the Cyclic Prefix > Max. Delay Spread, treceived signal after FFT, at the nth tone OFDM block can be expressed as

where

is additive noise is channel frequency respon

],[],[],[],[ knwknsknHknr +=

],[ knw],[ knH

116

RB2015 :

Tx Waveform over a OFDM Symbol


40/131

y(magnitude values, for 802.11a)117

RB2015 :

Sync Basis Functions


41/131

Shape gets upset by(a) Fine Frequency Offset

(b) Fading

Sync Basis Functions(of equal height for single-ray channel)

118

RB2015 :

OFDM PHY l k


42/131

OFDM -- PHY layer tasks

Signals sent thro wireless channels encounone ormore ofthe following distortions:

additive white noisefrequency and phase offset

timing offset, slip

delay spread

fading (with or without LoScomponent)

co-channelinterferencenon-lineardistortion, impulse noise, etc

OFDM iswellsuited forhigh-bitrate applicatio

119

RB2015 :

Frequency Offset


43/131

Frequency Offset

Carrierrecoveryand tracking critical forOFDM

Offsetscan be comparable to sub-carrierspacing inOFDM

Non-coherentdetec torspossible with differential coding

Residual freq.offsetcauses

constellation rotation inTDMA

loss of correlation strength over integration window in CDM

(thereby admitting more CCI ornoise) increased inter-channelinterference (ICI) inOFDM

OFDM can easily compensate forgrossfreq. offsets (offswhichare an integral multiple of sub-carrierwidth)

120

RB2015 :

Timing Synchronization


44/131

Timing Synchronization

Timing recovery (at symbol level) is easily achieved in OFD

systems

Can easilyovercomedistortionsfrom delay spread

Can employ non-coherent timing recovery techniques

introduc ing self-similarity

=>very robust to uncompensated frequency offsets

If cyclic prefix is larger than the rms delay spread, range(equallygood) timing phasesbecome available

=>robust to estimation errors

121

RB2015 :

Sl t d Ti i S h i ti i OFD


45/131

Slot and Timing Synchronization in OFD

Example: 4 tones per slot (OFDM symbol)

T

self-symmetry can beexploited for non-coherent timing recovery

zero tones

IFFT PA

T secs

t

IFFT PA

T secs

t

T/2 T

Traffic Slot

Preamble/Control Slot

122

RB2015 :

Effect of Delay Spread


46/131


Typical rmsdelay spread in macro-cells

Urban : 1-4 secs, Sub-urban : 3-6secs

Rural (plain, open country) : 3-10secs

Hillyterrain : 5-15secs

TDMA requiresequalization (even if rmsdelay spread is

of symbol duration)

higher bit-rateswould implymore Inter-SymbolInterfe

therefore, equalizationcomplexity increaseswithbit r

123

RB2015 :

Eff t f D l S d


47/131


Effectofdelay spread onDS-CDMA ismulti-fold

On the Uplink, the time diversity inherent inspread can be used to mitigate fading

On the Downlink, multipath delay spreachannelization (short) code orthogonality

Sectorisationvital inCDMA to reduce CCI onthe

However, sectorisation reduces delay spreathereby reducing the RAKE performance

124

RB2015 :

Effect of Delay Spread in OFDM


48/131

Effect of Delay Spread in OFDMDelay spreadeasily compensated inOFDMusing :

Cyclic Prefix(CP) which islongerthan the delayspread

Thereby, converting linear convolution (with multipatheffectivelya circularconvolution

enablessimple one-tap equalization at the tone level

However, the frequency selectiveness could lead to certain toneshaving very poor SNR=> poor gross error rate performance

Data Payload CP

3.2secs 0.8secs

Example: IEEE 802.11 A (and also in HiperLAN)

125

RB2015 :

Delay Spread Compensation in OFDM


49/131

Delay Spread Compensation in OFDM

Two basic ideasto combatfreq.selectivity inOFDM

Feed-forward onlytechniques

Temporal FEC and interleaving

Transmit diversityand space-time coding

Feed-back based techniques (similar to approacheCarrierModulation in the ADSL modems)

Water-pouring (bit-loading)

Pre-equalizationorpre-distortion

Sectorizationinmacro-cellOFDMcanhelp reducedelay

126

RB2015 :

OFDM R i Al ith R


50/131

OFDM Receiver Algorithms -- Recap

AGC

Sampler DFTEr

- Gross Freq. Offset- Channel Estimation

and Equalization

RecP/S and

Detection

Freq.

- Fine Freq. Offset- Timing Estimation

127

RB2015 :

Frequency Domain Equalisation Conventio


51/131

Frequency Domain Equalisation - Conventio

ConventionalOFDM

DFTFrequencyDomain

Equaliser

RemoveCP

RxAlgos.

IDFT AddCPTx

Mod.

SymbolMapping

& S/P

128

RB2015 :

Frequency Domain Equalisation


52/131

Frequency Domain Equalisation -Single Carrier FDE (SC-FDE)

Tx -- low-complexity, TDMARx -- implements SC-FDE;

Linear Equaliser or DFE

DFTFrequencyDomain

Equaliser

RemoveCP

RxAlgos.

DetIDFT

AddCP

(of symbols)

TxMod.

SymbolMapping

to permit FDE

129

RB2015 :

Time & Frequency Domain Equalization


53/131

q y qfor OFDM in large delay spread channels

TDE + FDEfor OFDM

DFTFrequencyDomain

Equaliser

RemoveCP

RxAlgos.

IDFTAddCP

TxMod.

SymbolMapping

& S/P

Time-Domain

Equaliser

130

RB2015 :

Fading and Antenna Diversity131


54/131

Fading and Antenna Diversity

Short-term fading exhibits spatial correlation

Two antennas, spaced /4 meters or greater apart, fad

Spatial diversity combining can mitigate fading

Switch diversity (least complex, modest improvement)

Selection diversity

Equal gain combining

Maximal rat io combining (most complex, optimal)

TDMA, CDMA, and OFDM systems will invariably req

diversity to overcome fading

131

RB2015 :

Fading and Channel Estimation132


55/131

Fading and Channel Estimation

Use of midamble in GSM and EDGE to avoid channel tracking with

Unlike in TDMA and OFDM, fading affects not only signal quality, bu

capacity in DS-CDMA

Fast closed-loop power control required which can track sh

For RAKE combining, multipath delays and gains are require

and tracked

By using orthogonal signaling, IS-95 uplink does not need gain

requires delay estimation

In OFDM systems, the long symbol duration makes channel estima

very important

132

RB2015 :

Channel Estimation in OFDM Example133


56/131

Channel Estimation in OFDM -- Example

Traffic slots may contain a few equally spacorrec tion(due to residual freq. offset,phas

Control slot mayalso containMAC message

Frame (say, 4 slots)Control +

Training Slot Traffic Slot 1Traffic Slot 3Traffic Slot 2

PhasCorrTone

TrainingTones(for channelidentification)

MAC message(broadcast)

Control +Training Slot

133

RB2015 :

Fading Compensation in OFDM134


57/131

Fading Compensation in OFDM

OFDM using a FDE, observes only flat fading at the sub-ca

Fading manifests as ICI terms in the Frequency Domain

In OFDM PhyLayer, two basic ways to reduce ICI

Reduce OFDM symbol duration (increase sub-carrier wi

802.16 has FFT sizes ranging from 256 to 4096

Transmit pulse shaping can reduce ICI

(by providing excess time-width)

134

RB2015 :

Oth PHY I i OFDM135


58/131

Other PHY Issues in OFDM

High peak-to-average ratio ofthe signal envelope

LinearPowerAmp., with5-8dBback-off required (costl

To supportmobility (fastfading) itwill require

More training tonesper symboland also in everyslot

Txdiversity and/orSTcoding support

Exploit time,frequency, and space diversity/ processin

135

RB2015 :

Phy Layer Issues in Macro-cell OFDM136


59/131

Phy Layer Issues in Macro-cell OFDM Macrocellswill require largercyclic extensions/ prefix

Microcellsmaynot be economicalduring initial deploym

GPSlocked basestationsrequired

To control ACI from neighbor BSsites(at celledge)

CCI can be estimated / controlled only if it istone-aligne

Strictpowercontrolrequired may be required onuplink

To minimize cross-talk between tones of different users

the same OFDM symbol (time slot)To avoid uplinkpowercontrol

allocate onlyone userper uplinkslot

or, make uplinka pure TDMA (not OFDM)

136

RB2015 :

Phy Layer Issues in OFDMA137


60/131

Phy. Layer Issues in OFDMA

Strictpowercontrolrequired onuplink(OFDMA)

To minimize cross-talk between tones of different use

the same OFDM symbol (time slot)

To avoid uplinkpowercontrol

allocate onlyone userper uplinkslot(OFDM)

or, make uplinka pure TDMA (single-carrier)

137

RB2015 :


61/131


62/131

Comparing Complexity of TDMA DS-CD

140


63/131

Comparing Complexity of TDMA, DS CD& OFDM Transceivers

Timing Sync.

Freq. Sync.

Timing Tracking

Freq. Tracking

ChannelEqualisation

Analog Front-end(AGC, PA, VCO, etc)

TDMA OFDM

Very elegant, rno extra ove

CDMA

Easy, but requiresoverhead (sync.) bits

Difficult, and requiressync. channel (code)

Easy, but requiresoverhead (sync.) bits

More difficult than TDMAGross Sync.

Fine Sync. is D

Modest Complexity Usually not rwithin a burst

Requires CPE

(additional ov

RAKE Combining in CDMAusually more complex than

equalisation in TDMA

Modest Complexity

(using dedicated correlator)

Easy, decision-directed

techniques can be used

Frequency DEqualisation is

Complexity overy high (PA

is necessa

Very simple(especially for CPM signals)

Complexity is high inAsynchronous W-CDMA

Modest to High Complexity(depending on bit-rate and

extent of delay-spread)

Fairly Complex(power control loop)

RB2015 :


64/131


65/131

OFDM based Standards143


66/131

O based Sta da ds

Wireless LAN standards using OFDM are

HiperLAN-2 in Europe

IEEE 802.11a, .11g

OFDM based Broadband Access Standards are gefor MAN and WAN applications

802.16 Working Group of IEEE

802.16 -- single carrier, 10-66GHz band

802.16a, b -- 2-11GHz, MAN standard

RB2015 :

Key Parameters of 802.16a Wireless MAN144


67/131

ey a a e e s o 80 . 6a W e ess N

Operates in 2-11 GHz SC-mode, OFDM, OFDMA, and Mesh support Bandwidth can be either 1.25/ 2.5/ 5/ 10/ 20 MHz

FFT size is 256 = (192 data carriers+ 8 pilots +56 Nulls)

RS+Convolutional coding Block Turbo coding (optional)

Convolutional Turbo coding(optional) QPSK, 16QAM, 64QAM Two different preambles for UL and DL

RB2015 :

Preamble structure for 802.16a Wireless M145


68/131

Preamble structure for 802.16a Wireless M

Two different preamble structures for DL and UL

TbTg

CP 128 128

Preamble structure of 802.16a Uplink

TgTg Tb TbCP 64 64 64 64 CP 128 128

Preamble structure of 802.16a Downlink

RB2015 :


69/131


70/131


71/131


72/131

Rate Dependent Parameters150


73/131

p

Coded bitsper

subcarrier(N

BPSC)

Coded bitsper OFDM

symbol(N

CBPS)

Data bper OF

symb(N

DBP

Data rate(Mbits/s)

Modulation Coding rate(R)

6

9

12

18

24

36

48

54

BPSK

BPSK

QPSK

QPSK

16 QAM

16 QAM

64 QAM

64 QAM

1/2

1/2

3/4

3/4

1/2

3/4

2/3

1

1

2

2

4

4

6

6

288

48

96

96

192

192

48

288

24

36

48

72

96

144

192

213/4

RB2015 :


74/131

PPDU Frame format152


75/131

RB2015 :


76/131


77/131

Timing Recovery in 802.11A --Simulation 155


78/131

N=0 represents start of 1st preamble; length of channel impulse response set to 8samples (0.4secs)

Probability of the corresponding n being detected as the start

of the frame at different SNRs

Value of index n in

the transmitteddata s(n) 5 db 10 db 15 db 20 db No noise

n16 (outside theacceptable range

0.017 0.003 0 0 0

Performance of timing recovery algorithm using 1stpreamble

RB2015 :


79/131

Piece-wise cross-correlation Result157


80/131

Cross c orrelation Result

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

110

19

28

37

46

55

64

73

82

91

100

109

118

127

136

145

1 5 4

RB2015 :

Fine Frequency Offset Estimation158


81/131

Quantity of interest is the Standard Deviation, f of th

frequency estimate.

It is given by: f= [E (( fest- fo )2 )] 1/2

Approximate by using ensembleaveraging of many Monte-Carlo runs

RB2015 :

Comparison of the Two Fine Frequency Est159


82/131

MMSE Technique

5 10 15 10

-3

10-2

10-1

snr(db)

S.D

300

30 H

5 10 15 20 2510

-3

10-2

10-1

snr(db)

S.D

30 Hz

300 Hz

Self-Correlatio

Algorithms

RB2015 :

64-QAM Without Pilot De-rotation160


83/131

64 QAM before pilot correction

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-2 -1 0 1 2

RB2015 :

64-QAM After Pilot De-rotation161


84/131

64 QAM after p ilot rotation

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1

RB2015 :

BER Curves for Different Channel Models162


85/131

For AWGN Channel

AWGN case

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 5 10 15

Eb/n0 in db

BERindb QPSK1/2

12Mbps

16QAM 1/2

24Mbps

64QAM2/348MBPS

BPSK1/2

6Mbps

RB2015 :

Motivation for Advances163 Key Advances in Wireless Technology


86/131

Motivation for Advances

Increase Erlang Capacity (Re-use Efficiency)users per square area

Increase Range and/or Reliability

Increase Channel Capacity (Spectral Efficienc

higher average bit rate or lower Txpower

Increase Coverage -- must for fixed wireless

Support for asymmetric and bursty traffic -- higaverage bit rate traffic like Internet

Support for mobility, inter-operability etc.

RB2015 :

Wireless Advances

164


87/131

Transmit Diversity

Smart Antennas

Sectorisation

CCI Suppression

Freq. Hopping

Multi-user Detection

Power Control

VAD, AMR, VBRReceive Diversity

Fixed Beamforming

Transmit Diversity

Spatial Multiplexing

Space-Time CodingLink

Adaptation

Re-useEfficiency

Range

DCS

Turbo Coding OFDM

RB2015 :

165 ST Block Code Example


88/131

RB2015 :

-d*(k+1), d(k)

d*(k), d(k+1)

TxRx

r(k+1), r(k)

Recall Example Permutation Tx Diversity Scheme

Alamouti and other Tx diversity / coding schemes are suitabl

only for frequency-flat channels

OFDM converts frequency selective channel to parallel flatchannels (one for every sub-carrier)


89/131

Permutation Tx Diversity for OFDM167


90/131

Courtesy:http://www.research.att.com/~justin/

RB2015 :

ST Coded Tx Diversity for OFDM168


91/131

Courtesy:http://www.research.att.com/~justin/

RB2015 :

169


92/131

Exemple dapplication : LTE

RB2015 :

Historique : Gnrations et normesUne Release correspond un ensemble de nouvelles fonctionnalits introduites d

d 3GPP d i d d d li

170


93/131

groupes du 3GPP dans une priode de temps donne et reprsente un pali

lvolution des systmes.

Le 3GPP a dfini neuf Releases entre 1998 et 2011 : Release 97 : dfinition du GPRS ;

Release 99 : introduction de lUMTS ;

Release 4 : ajout de fonctionnalits au sein du rseau cur, notammen

couches mdia et contrle pour le rseau cur circuit ;

Release 5 : introduction de lvolution HSDPA pour le rseaudaccs UMTS

Release 6 : introduction de lvolution HSUPA pour le rseau daccs UM

Release 7 : introduction du HSPA+ MIMO ;

RB2015 :

Historique : Gnrations et normes171


94/131

RB2015 :


95/131


96/131

Pourquoi la technologie LTE?174


97/131

Plusieurs raisons ont pouss le groupe 3GPP laborer

LTE parmi lesquelles on peut citer : La demande croissante de dbit et de qualit de servi

La ncessit dassurer la continuit de la comptitivi

3G vis--vis des technologies concurrentes (WiMAX

Loptimisation des systmes commutation de paqu

La rduction de la complexit.

RB2015 :

Les caractristiques du LTEIl offre un dbit de donne crte sur la voix montante de 50 Mbits/s Un dbit pic thorique de 100 300 Mbits/s sur la voix descendante et un

175


98/131

de moins de 10 ms sur linterface radio (RAN). Le LTE utilise une largeur de bande de 2x20 MHz et supporte le duplexag

frquentiel (FDD) ;

La taille des cellules est de 5 km pour des performances optimales. Ces performances sont possibles grce lutilisation dantennes MIMO (M

Output) avec les techniques de transmission OFDM (Orthogonal FrequenMultiplexing), daccs multiples : OFDMA (OFDM Multiple Access) surla technique SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) sur la voie montante afindu canal.

LTE rpond des nouveaux besoins (dlai court, dbitlev, nouveaux ser

Architecture gnrale simplifie Piles protocolairesreposent sur le protocole IP Qualit de Service est principalement garantie par la nouvelle architecture

Packet System) de bout en bout Amlioration de performance par mthode inter-couche WiMax (IEEE 802.16)est un concurent de la LTE

RB2015 :

Lallocation spectrale au niveau mondial

176


99/131

RB2015 :

Evolution de la LTE

177


100/131

Le LTE nest pas formellement une norme 4G car elle nest pas entirement conforme aexigences de lIMT Advanced 4G dfini par lUIT, mais elle est une tape vers la norm4me gnration : LTE Advanced.

RB2015 :

SC-FDMA is a new multiple access technique.

Single Carrier FDMA (SC-FDMA)178


101/131

Utilizes single carrier modulation, DFT-spread orthogonal

frequency multiplexing, and frequency domain equalization.It has similar structure and performance to OFDMA.

SC-FDMA is currently adopted as the uplink multiple access

scheme in 3GPP LTE.

A variant of SC-FDMA using code spreading is used in 3GPUMB uplink.

802.16m also considering it for uplink.

RB2015 :

S PN-Subcarrier

M-Add CP DAC

TX & RX Structure of SC-FDMA179


102/131

S-to-P

P-to-S

P-to-S

S-to-P

point

DFT

SubcarrierMapping

point

IDFT

Add CP/ PS

DAC/ RF

Detect

N-point

IDFT

SubcarrierDe-mapping/

Equalization

M-point

DFT

RemoveCP

RF/ ADC

*N


103/131

S

patialMapping

SpatialCombining

/Equalization

N-point

DFT

Subcarrier

Mapping

M-point

IDFT

Add CP /

PS

DAC

/ RF

Detect

Detect

N-point

IDFT

N-point

IDFT

Subcarrier

De-mapping

Subcarrier

De-mapping

M-point

DFT

M-point

DFT

Remove

CP

Remove

CP

RF

/ ADC

RF

/ ADC

RB2015 :

LTE Frame Structure

Two radio frame structures defined.

181


104/131

Frame structure type 1 (FS1): FDD. Frame structure type 2 (FS2): TDD.

A radio frame has duration of 10 ms.

A resource block (RB) spans 12 subcarriers over a slof 0.5 ms. One subcarrier has bandwidth of 15 kHz, kHz per RB.

RB2015 :

LTE Frame Structure Type 1FDD frame structure

182


105/131

One radio frame = 10 msOne slot = 0.5 ms

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

RB2015 :


106/131

LTE Resource Grid184


107/131

RB2015 :

Length of CP185


108/131

RB2015 :

LTE Bandwidth/Resource Configuration186


109/131

RB2015 :

LTE Bandwidth Configuration187


110/131

RB2015 :

Uplink SC-FDMA Multiusers188


111/131

RB2015 :

Au-del de la Release 8La Release 9 a essentiellement consist : complter les fonctionnalits de base introduites en Release 8 intgrer un certain nombre de corrections de la Release 8 profitant de lexpr

189


112/131

g p pconstructeurs dans le cadre des premires implmentations matrielles

Les volutions principales sont: extension des techniques de transmission multi-antennes pour le TDD afin de

transmission simultane de deux blocs de donnes pour 8 antennes dmissiodouble couches)

dfinition de protocoles de localisation, notamment motivs par la lgislationimpose de localiser les appels durgence ;

dfinition dune architecture et de protocoles autorisant des services de diffus

multiples, aussi appels MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service). Cdoptimiser lefficacit spectrale lors de la transmission dun contenu commudutilisateurs, comme de la tlvision ;

dfinition de nouvelles fonctionnalits dauto-optimisation ; approfondissement des spcifications techniques des HeNB (Home eNodeB o

notamment dans les domaines de la mobilit, de la scurit et de larchitecturRB2015 :

Au-del de la Release 8

190


113/131

Ils sont associs des puissances de lordre dune centaine de mW(20 dBm)

RB2015 :

Perspectives : LTE-A Release 10

La Release 10 est principalement marque par lad

191


114/131

du LTE afin de garantir latteinte des exigences de

IMT-Advanced dfinie par lUIT.

La version du LTE dfinie en Release 10 est ainssous lappellation LTE-Advanced

RB2015 :

Perspectives : LTE-A Release 10

En complment des volutions propres au LTE-Advanced, des dvt effectus en Release 10 pour :

192


115/131

t effectus en Release 10 pour :

amliorer la mobilit entre cellules femto ; permettre dutiliser les mesures des UE afin de valuer automatiquement la qualit du rseau, dterminer ainsi le besoin ventuel doptimisation ou de rs

problmes, en rduisant le besoin de tests manuels par les oprateurs ;

amliorer la prise en charge des communications de machinintroduisant des mcanismes destins protger le rseaventuelles dans le cas o un trs grand nombre de machineaccder au rseau simultanment.

RB2015 :

Perspectives : LTE-A Release 10 Accs une large bande passante(agrgation de porteuses ) Etendre la bande jusqu 100 MHz Amlioration du dbit

193


116/131

RB2015 :

Perspectives : LTE-A Release 10Techniques avances dantennes MIMO : Extension de transmission jusqu' 8 couches en liaison desce

couches en liaison descendante)

I t d ti d i l MIMO i d t

194


117/131

Introduction des single-user MIMO avec un maximum de tra

couches en liaison montante

Amliorations de multi-user MIMO Amlioration des dbits et des capacits

RB2015 :

Perspectives : LTE-A Release 10Rseau htrogne (renforcement de la coordination l'interfrence inter-cellulaire) : Coordination d'interfrencdploiement de superposition de cellules avec une puissance d

195


118/131

diffrente

Amlioration du dbit cellulaire de pointe et de la couvertur

1. Macro40W(46 dBm)2. micro10W(40 dBm)3. picoentre 0.255W(24 37 dBm)4. femtoqq centaine de mW (20 dBm)

RB2015 :

Perspectives : LTE-A Release 10Relai Noeud de raccordement entre le eNB et le UE et cre une cell

Amlioration de la couverture et de la flexibilit dtendre la z

196


119/131

Amlioration de la couverture et de la flexibilit d tendre la z

service

RB2015 :

Perspectives : LTE-A Release 10Introduction de :- la Radio cognitive

- la Radio logicielle

197


120/131

la Radio logicielle

RB2015 :

Perspectives : REL-11La coordination multi-point (CoMP) : Cest une nouvelle technique de transmission en cours dspcification dans le cadre du LTE-A. Elle consiste en une coopration entre BSs pour combatt

198


121/131

Elle consiste en une coopration entre BSs pour combattlinterfrence multi-cellulaire et atteindre de meilleures perfnotamment en termes de dbit des utilisateurs en bordure d

RB2015 :

Perspectives : REL-11199


122/131

Dynamic point selection

Coordinated scheduling/beamforming

Join

RB2015 :

Perspectives : REL-11Le Self Organizing Networks (S.O.N.) :1. une technologie conue pour permettre lauto-configuration, lautoexploitation et lauto-optimisation des quipements des rseaux cellutlphonie mobile.2 Il d l i id d ll BTS d' N d

200


123/131

2. Il permettra un dploiement rapide de nouvelles BTS ou d' eNodencessiter lintervention de spcialistes pour modifier les quipement

existants.3. Dans les rseaux cellulaires 2G et 3G actuels, de nombreux paramrseau sont configurs manuellement:

La planification, La mise en service, La configuration, Lintgration et la gestion de ces paramtres sont efficaces et f

pour lexploitation du rseau

ces interventions manuelles sont souvent sources derreurs et relalentes+ leur cot est trs lev pour les oprateurs

Ncessit de flexibilit et damlioration des performances du rseaurduisant les cots et les dlais : SON (Self Organizing Networks)

RB2015 :

Perspectives : REL-11201


124/131

RB2015 :

Auto-configuration1. La mise en place de nouveaux quipements dans le rseau cellulairun cot lev pour les oprateurs.2. En plus du prix du matriel, il faut tenir compte des cots dus la cet la reconfiguration des stations de base adjacentes qui ncessitentdun ou de plusieurs experts sur le terrain.

202


125/131

d un ou de plusieurs experts sur le terrain.

Lauto-configuration a pour but de rduire les cots de linterventionintroduisant des fonctionnalits plug & play dans les eNode B. Elletoutes les tches ncessaires pour automatiser le dploiement et la service de rseaux ainsi que la configuration des paramtres.

Lors de la premire mise sous-tension du eNode B, il devrait : dtecter la liaison de transport et tablir une connexion avec ledu rseau cur ; tlcharger et mettre jour la version du logiciel correspondan installer les paramtres de configuration initiale, y compris les voisinage ; effectuer un auto-test et se mettre en mode oprationnel.

RB2015 :

Auto-optimisation L'auto-optimisation se droule en mode opratiopermet aux oprateurs de bnficier dune optimisadynamique (quilibrage de charges, conomie dn

203


126/131

y q ( q g g

Un "Self Organizing Network" :

automatise les tches en effectuant des mesles quipements de rseau ; dtecte les problmes de qualit de service, identifie la cause, et prend automatiquement des mesures corrsur la base de la statistiques de mesures de perf

de lOMC (Operation and Maintenance Center). Cette optimisation autonome permet de traiter rapidement les problmes et damliorer les performdu rseau.

RB2015 :

Auto-optimisation204


127/131

RB2015 :

LTE-Advanced test sur le terrain Au Japon, loprateur NTT DoCoMo a obtenu en 2012, le feu verdes tlcommunications rattach au ministre de lIntrieur jamener des exprimentations LTE-Advanced sur le terrain via unequi lui permet dexploiter des frquences dans les villes de Y

205


128/131

q p p qSagamihara.

Ce pilote permet de tester des quipements LTE-Advancedcomme en extrieur. NTT DoCoMo a dj ralis une srie dexpen simulant un environnement radio perturb par des obstacles,des configurations telles quon peut les trouver dans les villes, macentres de R&D(recherche et dveloppement), o il a russi dbits descendants de 1 Gb/set montants de 200 Mb/s.

Une introduction progressive des nouvelles fonctions apportesAdvanced sera possible grce la compatibilit ascendante aToutefois, il ne faut pas esprer, avant 2016 au plus tt, descommerciaux (Smartphones) et des quipements de rseauexploitant les dbits les plus rapides (1 Gb/s) prvus par la norme.

RB2015 :

Exigences relatives la REL-12 Augmentation de la capacit pour faire face

l'explosion du trafic2010 => 202Plus de sma

206


129/131

Les conomies d'nergie Rentabilit

Prise en charge diverses applications et types

de trafic

Plus de sma& tablets;

conpuis

Nouvelle apps, MTC (Mtype communications )device to device,interworking, public safe

RB2015 :

Potentiel technologies identifie pour la REL-12

dynamic UL/DL tallocation TR 36

Dynamique mode TDD207


130/131

MIMO/beamforming : pour permettre le contrle du faisceau deux directions horizontale et verticale

L'interfonctionnement avec WiFi

Separation en frquences entre les

cellules macro et micro Frequencyseparation between macro andsmall , e.g. bande 3.5 GHz pour lesmicro cellules.

RB2015 :

5 ime Gnration

trop t

5G: ?208


131/131

de la n de nou

4G sonavant

dicts des clieoprate

restreindu speinfluentechno

RB2015 :

techniques acces multiples cameroun rb2015 part2 1page

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