DAVIDSON CONSULTING - 2011
Formation LTE
1
Plan de Formation
� Part I : Introduction
� Part II : LTE Interface Air
� Part III : LTE Radio optimisation et paramétrage � Part III : LTE Radio optimisation et paramétrage
DAVIDSON IDF- Formation interne 2011 - LTE – Otobre 2011 – Nazim HADJSLIMAN2
Module1 Introduction et Généralité
� Evolution des systèmes cellulaires
� Principales Caractéristiques du LTE
� Mise en service des différentes release du LTE
� LTE-Advanced (LTE-A) 3GPP Release 10
� Evolution de l’architecture réseau� Evolution de l’architecture réseau
� Evolved Packet System (EPS) Architecture
� LTE/EPC Network Elements
� Interface Radio et Interface X2
� Interfaces S1-MME & S1-U
DAVIDSON IDF- Formation interne 2011 - LTE – Mars 2011 – Nazim HADJSLIMAN3
Evolution des systèmes cellulaires
• LTE future remplaçant du HSPA
• Evolution par rapport au Debit et temps de latence
WCDMA
384 kbps DL
HSDPA/HSUPA
14.4 Mbps peak DL
HSPA +
28 Mbps peak DL
EUTRA
100 Mbps peak DL
384 kbps UL
RTT ~150 ms
CS/PS
5.7 Mbps peak UL
RTT <100/50 ms
PS
11 Mbps peak UL
RTT < 30 ms (2ms TTI)
PS
50 Mbps peak UL
RTT ~10 ms
PSro
3GPP Rel. 5/6 3GPP Rel. 7
UTRA evolution: WCDMA 5MHz UTRA Long Term Evolution: up to 20 MHz BW
3GPP Rel.99/4 3GPP Rel. 8
2003/4 2005/06 HSDPA 2007/08 HSUPA
2008/09 2009/10
E-UTRA: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access4
Principales Caractéristiques du LTE
• Debit uplink/downlink 50/100 Mbps• Réduction du temps de latence:
round trip time <10 ms• Améliorer la mobilité et la sécurité
Optimiser pour les mobiles d’ancienne génération supporte les caractéristiques des mobiles de nouvelle génération
• Bande de fréquence adaptable et flexible : avec 1.25, 2.5, 5, 10, 15 and 20 MHz allouées
• Bande de fréquence adaptable et flexible : avec 1.25, 2.5, 5, 10, 15 and 20 MHz allouées
• Efficacité du spectre amélioré: Capacité 2-4 fois supérieur qu’en Release 6 HSPA
• Support efficace des divers types de services, particulièrement du domaine PS
• Packet switched optimisé en modes FDD and TDD• Amélioration de la gestion des terminaux « power efficiency » • Supporte l’interopérabilité avec les systèmes 3GPP existant les
les systèmes non 3GGP
5
Mise en service des différentes release du LTE
Debit Max
Debit moyen
150 Mbps /20 MHz1
35 Mbps with 20
Release 8 Release 9
150 Mbps /20 MHz1
35 Mbps with 20
1 Gbps /40 MHz3
140 Mbps with
Release 10
March 2010March 20093GPP spec June 2011 (expected)
2H/20112H/2010Mise en Réseau End-2012
“Basic LTE” “Mise a jour incluent VoIP, femto handovers, MBMS et positioning”
Debit moyen 35 Mbps with 20 MHz1
35 Mbps with 20 MHz1
140 Mbps with 40 MHz2
1Avec 2x2 antennas2Avec 4x4 antennas3Avec 8x8 antennas
“LTE-Advanced”
6
LTE-Advanced (LTE-A) 3GPP Release 10
• LTE- Advanced Principal feature pour 3GPP Release 10
• DL spectre 2.4 bps/Hz/cell (1.7 bps/Hz/cell in LTE) pour une
configuration d’antenne en 2x2
• Débit downlink 1 Gbps (petite mobilité) and 100 Mbps (grande mobilité)
• Uplink data jusqu’a 500Mbps
• Temps de Latence réduit • Temps de Latence réduit
• Uplink MIMO (jusqu’à 4Tx) ; DL MIMO (jusqu’à 8x8)
• Capacité d’interopérabilité entre LTE et autre 3GPP (legacy systems ,
R4)
• Premier réseau LTE-A networks prévu +2012
• Support des bandes passantes élevées (jusqu’a100MHz) by carrier aggregation
• Plus d’info 3GPP TS36.814
7
Standardisation du LTE
Collaboration agreement established in December 1998. The collaboration agreement brings together a number of telecommunications standards bodies: ARIB, CCSA, ETSI, ATIS, TTA, and TTC.More in www.3gpp.org
� Next Generation Mobile Networks. Is a group of mobile operators, to provide a coherent vision for technology evolution beyond 3G for the competitive delivery of broadband wireless services.
� More in www.ngmn.org
LTE/SAE Trial Initiative. Is was founded in may 2007 by a group of leading telecommunications companies.Its aim is to prove the potential and benefits that the LTE technology can offerMore in http://www.lstiforum.com/
LSTI
8
Qui y a t’il de nouveau pour le LTE?
– Nouvelle transmission:
� OFDMA en downlink
� SC-FDMA en uplink
� MIMO Multiple Antenna
Technologie
– Nouveau radio Protocol:
• Important pour Radio Planning:– Réutilisation de fréquence
� Plus besoin de plan de fréquence� Contrôle des interférences
– Plus besoin de définir la liste des cellules voisines en LTE
– LTE demande une couche – Nouveau radio Protocol:
� Moins complexe
� Partage de canal et non pas au
canal dédier
– Nouvelle architecture
� Plus de fonctionnalités sur la
(eNodeB)
� Core Paquet
– LTE demande une couche Physique “Cell Identity planning” (504 cellules physique IDs organisé en 168 groupe de 3)
– Des secteurs supplémentaires doivent être planifiés comme les paramètres PRACH, PUCCH et la capacité PDCCH et le Signal de Référence de Démodulation UL
9
La migration vers LTE
Mise en place de l’architecture broadband
LTE
I-HSPA
>90 % des réseaux mondiaux vont migrer vers LTE
TD-LTE
TD-SCDMAGSM /(E)GPRS
CDMA
WCDMA /HSPA
10
LTE Dans le monde (26th Aout 2011)
• Plus de 22 réseaux LTEsont prévus
pour être
commercialisés
fin 2011
• Plus • Plus
d’informations
sur:
http://www.gsac
om.com/downlo
ads/pdf/lte_3gp
p.php4
11
12
Exercice
• LTE Utilise une transmission basée sur: ?????en DL et ????? en UL
• LTE Débit >??? Mbps DL et > ??? Mbps UL sur une bande fréquence de 20 MHz
• LTE utilise une efficacité spectrale (??? x Release 6 )• LTE utilise une efficacité spectrale (??? x Release 6 )
• LTE autorise le réhaussement du spectre ??????
• LTE est basée sur une architecture simplifiée. qu’est ce que ça signifie?
• Est-ce que le LTE peut fonctionner avec d’autres technologies?
• Quel mode de fréquence est utilisé en LTE?
• Est-ce que c’est nécessaire d’utiliser les voisinages en LTE?
13
Solution
• LTE utilise un nouveau mode de transmission: OFDMA en DL et SC-FDMA en UL
• LTE utilise jusqu’a >100 Mbps DL et > 50Mbps UL sur 20 MHz de bande passante
• LTE utilise une Efficacités spectral plus large(2 to 4 x Release 6 )
• LTE autorise le refarming grâce à une bande ajustable• LTE autorise le refarming grâce à une bande ajustable
• LTE est basé sur « flat architecture » disparition du RNC.
• LTE permet le passage rapide du GSM/HSPA/CDMA
• LTE est basé sur un modèle de réutilisation de fréquence
• LTE on ne définie pas une liste de voisinage de cellule les mesures d’offsets peuvent définir les voisines
14
LTE Architecture
Réseau et interface
15
Evolution de l’architecture réseau
S- GW + P-GWGGSN
SGSN
Direct tunnel
GGSN
SGSN
I-HSPA
MME
HSPA R7 HSPA R7 LTE R8
GGSN
SGSN
HSPA
HSPA R6LTE
SGSN
RNC
Node B (NB)
SGSN MME
Node B + RNC
Functionality
Evolved Node B (eNB)
SGSN
RNC
Node B (NB)
User planeControl Plane
– Flat architecture: Un seul network element pour le user plane radio network et le core network
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Evolved Packet System (EPS) Architecture - Subsystems
• Optimisation du core Paquet(Aucun élément core Circuit) • L’architecture EPS est composée de:
– EPC: Evolved Packet Core, qui est aussi nommé dans le 3GPP SAE (EPC nom NSN!)– eUTRAN: Radio Access Network ou LTE
EPC
• L’UTRAN évoluant vers l’E-UTRAN, une
EPS Architecture
LTE or eUTRANEPC
l’E-UTRAN, une technologie d’accès basée sur le mode paquet
• L’objectif du réseau EPC, basé sur un cœur de réseau en mode paquet, est de fournir un réseau convergent pour l ‘accès aux
services IMS.
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LTE/EPC Network Elements
Les références de l’architecture dans les specs 3GPP: TS23.401,TS23.402,TS36.300
Evolved UTRAN (E-UTRAN) Evolved Packet Core (EPC)
HSS
Mobility Management
eNB
MME S10
S6a
ServingGateway
S1-U
S11
PDNGateway
PDN
PCRF
Gx Rx
SGiS5/S8
Management Entity Policy & Charging
Rule Function
S-GW /P-GWLTE-UE
Evolved Node B(eNB)
X2
LTE-Uu
18
Evolution du Core Packet
Evolved Packet Core(EPC)
2G
PCRF
Gb
IuS4
S7
Rx+
S5
GatewaySGSN
BSC
RNC
RAN
PDN
S7c
Serving
Policy Control Common for voice and data services
OperatorServices
Internet
CorporateServices
3G
ePDG
Trusted Non-3GPP IP Access
S1-MME
S1-U S11
S2c
S2a
S2b
SGi
HSS
S6b
S5
User planeControl plane
Untrusted Non-3GPP IP Access
Non 3GPP
LTE
S3
S6a
RNC
MME
S10
AAA
NodeB
eNodeB
PDN
GWS12
GW
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Codage/décodage des canaux
Modulation/démodulation des signaux
Contrôle des ressources radio (RRC)
eNB Principal Functions
Gestion de la mobilité radio (RRM)
Contrôle du radio bearer
Evolved Node B (eNB)
Compression des entêtes IP et cryptage des données utilisateurs
Routage des données du plan utilisateur vers le Serving Gateway
Transmission des informations broadcast au UE
Contrôle d’admission
Transmission des messages de paging provenant du MME
Contrôle du radio bearer
Sélection d’un MME pour le UE lorsque lesinformations fournies par le mobile ne le permettent pas
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EPC Network Elements (1/2)
MME: Mobility Management Entity
– Sécurité : initiation et négociation d’algorithmes de protection et de
chiffrement.
– Accès initial au réseau
– Authentification de l’utilisateur
– Gestion du bearer– Gestion du bearer
– Mobilité: Handover inter technologie 3GPP / Handover intra-LTE
Serving Gateway
– Paging, Gestion des contextes , Mobilité
– Routage de données : Le Serving Gateway route et transfert les paquets de
données des utilisateurs.
HSSeNB
MME
ServingGateway
S1-U
S1-MME
S11
S6a
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EPC Network Elements (2/2)
Packet Data Network Gateway
– Interface vers les réseaux de Paquet (comparable to GGSN in 2G/3G
networks)
– IP Address Allocation pour UE
– Packet Routing/Forwarding entreMME
PCRF
S7 Rx+
HSSS6a
Serving GW et réseau Date externe
– Packet screening: filtrage des paquets
(fonction firewall)
� Gestion de la facturation– Négociation de QoS avec les PDN externe
– Facturation: Comment les paquets seront comptabilisés
� HSS: Home Subscriber Server– Base de données centrale et permanente pour tous les utilisateurs
– Enregistrement de la mobilité et des services data pour chaque abonné
– Contient la fonction AuC (pour l’authentification)
ServingGateway
S5/S8
PDNGateway
PDNSGi
S11
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Interface Radio et Interface X2 Interface LTE-Uu• Air interface du LTE • Basé sur l’OFDMA en DL et SC-FDMA en UL• FDD et TDD duplex methods• Bande passante évolutive entre 1.4MHz à
20 MHz
Interface X2• Interface inter eNB
(E)-RRC(E)-RRC User PDUs User PDUs..
PDCPPDCP
RLCRLC
MACMAC
LTE-L1 (FDD/TDD-OFDMA/SC-FDMA)LTE-L1 (FDD/TDD-OFDMA/SC-FDMA)
TS 36.300
eNB
LTE-Uu• Interface inter eNB• X2AP: Protocole spécifique de signalisation• Fonctionalités:
– Gestion de la charge .– Gestion de l’interférence entre les
cellules– Logical interface: It does not need
direct site-to-site connection
eNB
X2
User PDUs
GTP-UGTP-U
UDPUDP
IPIP
L1/L2L1/L2
TS 36.424
X2-UP(User Plane)X2-CP
(Control Plane)
X2-APX2-AP
SCTPSCTP
IPIP
L1/L2L1/L2TS 36.421
TS 36.422
TS 36.423
TS 36.421
TS 36.420[currently also in TS 36.300 §§§§20]23
Interfaces S1-MME & S1-U
InterfaceS1-MME• Contrôle Plan entre eNB et MME• S1AP:S1 Application Protocol• MME et UE echange non-access
stratum signaling via eNB à travers
MME
S1-MME(Control Plane)
S1-U(User Plane)
NAS Protocols
S1-APS1-AP
SCTPSCTP
IPIP
L1/L2L1/L2
User PDUs
TS 36.411
TS 36.412
TS 36.413
eNB
L’interface S1 est divisé en deux partie:
stratum signaling via eNB à travers cette interface (i.e. authentication, tracking area updates)
S1-U interface• Interface User plane entre eNB et
serving gateway• Pure user data interface (U=User plane)
ServingGateway
User PDUs
GTP-UGTP-U
UDPUDP
IPIP
L1/L2L1/L2TS 36.411
TS 36.414
TS 36.410[voir TS 36.300 §§§§19]
24
LTE Interface Air
25
Downlink Air InterfaceOrthogonal Frequency Division Multiplexing Access
OFDMA
26
Module1 Introduction et Généralité
� Transformé de Fourrier
� Principe de l’OFDM
� L’effet Doppler en OFDM
� Principe de l’OFDMA
� Paramètres OFDMA� Paramètres OFDMA
� Gestion de la puissance en OFDM
DAVIDSON IDF- Formation interne 2011 - LTE – Mars 2011 – Nazim HADJSLIMAN27
Transformé de Fourrier Rapide
– Deux caractéristiques définissent le signal:
� Domaine temporel: Représente combien de temps le symbole dure
� Domaine fréquentiel: Représente le spectre nécessaire en termes de
largeur de bande
– Fast Fourier Transform (FFT) L’inverse du Fast Fourier Transform (IFFT)
est un bloc fondamental dans un système OFDMAest un bloc fondamental dans un système OFDMA
– Le signal OFDM est généré en utilisant l’IFFT
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Fast Fourier Transform Rectangular Pulse
[+] Advantages:• Simple à implémenter:
– Une utilisation efficace des ressources fréquentielles
– L'impulsion a une durée bien définie – Les techniques multi porteuses sont robustes au
bruit impulsif
[-] Disadvantage: • L'impulsion rectangulaire alloue beaucoup de
spectre dans le domaine de fréquence. Cependant la densité de puissance spectrale a des points nuls exactement aux multiples de la fréquence fs = 1/Ts. Ceci sera important dans OFDM
29
OFDM Principe (I)
– Transmet des centaines ou même des milliers de signaux radio séparément modulés
utilisant orthogonal subcarriers spread across a wideband
Orthogonality:
15 kHz in LTE: fixed
Total transmission bandwidth
The peak (centre frequency) of one subcarrier …
…intercepts the ‘nulls’ of the neighbouring subcarriers
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OFDM Principe (II)
– Les Données sont transmises en parallèles sur différentes sous porteuses,
Chaque Sous porteuse transporte seulement une partie de l’ensemble
– En sortie on a la somme des différentes quantités données pour chaque
sous porteuse, la puissance est distribuée sur les sous porteuses.
– FFT (Fast Fourier Transform) est utilisé pour créer des sous porteuses
orthogonales. Le nombre de sous porteuse est déterminé par la FFT
(largeur de bande) en LTE des sous porteuses son séparées de 15kHZ(largeur de bande) en LTE des sous porteuses son séparées de 15kHZ
Power
frequency
bandwidth
31
OFDM Multichemin
4Ts
Time DomainTgun temps de garde
1
2
3
time
time
time
1
2
3
time
un temps de garde (nommé CP Cyclic Prefix) ajouté au temps utile du symbole pour remédier au phénomène ISI (Inter Symbol Interference) créé par la propagation NLOS.
4
32
Cyclic Prefix (CP)/temps de garde
• 2 options de CP en LTE:– Normal CP: pour de petites cellules et une courte durée sur le retard multichemin– Extended CP: Pour des cellules plus grand ou des temps ou le delai est plus grand
Note: CP represente un dépassement
t
total symbol time T(s)
Guard Time
T(g)
CP T(g)
Useful symbol time T(b)
33
L’effet Doppler en OFDM
– Les symboles sont déformés dans le temps
� Les saut de fréquence engendre une détection de symbole imprécise
� MCS: Effect du schéma de modulation et de codage propre à chaque utilisateur
en étant à très haut débit sur une porteuse n’est pas acceptable pour des UE qui
bougent à grande vitesse
� Doppler impacts seulement SINRs sur des gammes les plus haute i.e >20dB
34
OFDMA Symbole
• OFDM symbole durée incluant le CP.
71.4 µs (*)– Long durée comparée au 3.69µs pour
GSM et 0.26µs for WCDMAGSM et 0.26µs for WCDMA� Robustesse des canaux radio mobile
avec l’utilisation du guard internal/cyclic prefix
– Longueur du symbole sans considérer le CP: 66.67µs (1/15kHz)
(*) normal CP35
Types de sous porteuses
Data Sous porteuses: Utilisée pour la transmission de données
� Signal de référence:
– Utilisé pour la qualité du canal et l’estimation de la puissance du signal
– N’occupe pas toute la porteuse mais il est périodiquement incorporé dans la
data qui doit être véhiculée pas la porteuse
Zero sous porteuse(pas de transmission/power):
– DC (centre) subcarrier: 0Hz
– Sous porteuse de garde: limite la quantité d'interférences causées par le
canal. La taille de la bande de garde a un impact sur le débit de sortie des
données du canal.
Guard (no power)
DC (no power)
data
Guard (no power)
36
Parameters OFDMA
– Channel bandwidth: Bande passante allant de1.4 MHz to 20 MHz
– Data sous porteuse: Varie avec la bande de fréquence
� 72 for 1.4MHz to 1200 for 20MHz
37
OFDMA Parameters
Frame Duration
Subcarrier Spacing
1.4MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz
10 ms
15 kHz
10ms
Sampling Rate (MHz)
Data Subcarriers
Symbols/slot
CP length
Normal CP=7, extended CP=6
Normal CP=4.69/5.12 µsec, extended CP= 16.67µsec
1.92 3.84 7.68 15.36 23.04 30.72
72 180 300 600 900 1200
38
OFDMA Parameters
– Durée d’une trame: 10ms entre le slot et la sous trame
– Durée d’une sous trame(TTI): 1 ms (composé de 2x0.5ms slots)
– Espacement de sous porteuse: Fixe 15kHz (7.5 kHz
définie dans MBMS)
Taux d’échantillonage: Varie en fonction de la largeur – Taux d’échantillonage: Varie en fonction de la largeur
de bande mais toujours un facteur de 3,84 pour assurer la compatibilité
avec le WCDMA en utilisant une horloge commune
39
Gestion de la puissance en OFDMA
� La puissance de transmission est la
somme de toutes les puissances de
chaque sous porteuse
– Du au grand nombre de sous
porteuse le max de la moyenne
de puissance (PAPR the peak to
average power ratio) a tendance average power ratio) a tendance
à avoir une grande gamme
– Plus les peak sont importants et
plus on utilise de la puissance
pour les amplificateurs
– Avoir des mobiles avec un aussi
grand PA qui fonctionnent sur
des gamme plus grandes de
puissance peux couter très cher
40
OFDM
Transmitted frequency spectrum:
• OFDMA Operation:
Total channel bandwidth
S/P IFFT CP
Modulation mapping e.g. QPSK symbols
Transmitter structure Receiver structure
P/S FFTCPRe-
moval
Modulation mapping e.g. QPSK symbols
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