L’OFDMA et LA TECHNOLOGIE MULTI-ANTENNE DANS LA LTE

Interface radio à commutation de paquets

                  Comme il a été mentionné auparavant, la LTE a été conçue pour être un réseau multiservice à commutation de paquets contrairement à ses prédécesseurs. Cette philosophie s’applique donc à toutes les couches de protocoles [5]. Dans le but d’améliorer le temps de latence du réseau, la durée d’une trame a été réduite à 1ms (contre 2ms pour la HSDPA). Ce court intervalle de transmission, combinée aux nouvelles dimensions que sont la fréquence et l’espace, étend les techniques utilisées entres la couche MAC (Medium Access Control) et physique à celles mentionnées ci-dessous :
– Organisation adaptative sur les dimensions fréquence et espace,
– Ajustement de la configuration MIMO incluant le nombre de couches spatiales à transmettre simultanément,
– Type de modulation et du taux d’encodage choisis en fonction des caractéristiques de la liaison. Même cas sur le nombre de mots code transmis,
– Plusieurs modes de feedback sur l’état du canal,
Toutes ces optimisations, combinées à des méthodes de signalisation sophistiquées, figurent parmi les défis relevés faisant du concept de la LTE un réseau fonctionnel.

Le CN ou EPC

         Il est responsable du contrôle de l’UE dans son ensemble et de l’établissement des bearers. Les nœuds principaux de l’EPC sont [6], [7], [9] :
– Le Policy Control and Charging Rules Function (PCRF) : Il est responsable de l’autorisation de la QoS selon laquelle seront traités les flux de données dans le Policy Control Enforcement (PCEF partie intégrante du P-GW) et assure qu’elle s’accorde bien au profile de l’utilisateur.
– Le HSS ou Home Subscriber Server : Il contient les données de souscription de l’utilisateur tels les profils QoS auxquels il est souscrit ou encore toute restriction d’accès en terme de roaming. Il détient également les informations concernant les PDNs via lesquels l’utilisateur peut se connecter. Celles-ci pourraient être un Access Point Name ou APN, ou encore une adresse PDN (indiquant le(s) adresse(s) IP souscrites). En dernier lieu, il conserve l’identité du MME par lequel l’utilisateur est géré.
– Le PDN Gateway (P-GW) : Il est responsable de l’attribution d’une adresse IP à l’UE ainsi que la validation des QoS demandées selon les restrictions venant du PCRF. Il garantit également la mobilité de l’UE vers les autres plateformes extérieures à la 3GPP, à savoir le CDMA2000 et le WiMAX.
– Le Serving Gateway (S-GW) : Tous les paquets IP sont transférés au travers le S-GW qui garantit la mobilité de l’UE lorsque celui-ci se déplace d’un eNodeB à un autre. Il est également responsable de la collecte des informations nécessaires à la facturation (exemple : le volume de données reçu et envoyé par l’utilisateur) et de la suspension d’une manière légale de la connexion (exemple : expiration du crédit dans le compte du client). En dernier lieu et non le moindre, il prend en charge la mobilité de l’UE dans le cas d’une mobilité à l’intérieur des technologies antérieures appartenant à la 3GPP soient le GPRS et l’UMTS.
– Le Mobility Management Entity (MME) : Le MME est le nœud du réseau contrôlant la signalisation entre l’UE et le CN. Le protocole entre l’UE et le CN est connu sous le nom « NonAccess Stratum » ou NAS. Deux principales fonctions peuvent être soulevées pour le cas du MME : d’une part les fonctions liées à la gestion des bearers (établissement, maintenance et libération) et d’autre part celles liées à la gestion de la connexion (établissement de la connexion et sécurité entre l’UE et le réseau).

Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) et sensibilité à la non linéarité

                 La section précédente mettait en exergue les avantages de l’OFDM. Contrairement, ce qui suit en énumèrera les inconvénients. Un des plus connus est le Peak-To-Average Power Ratio [4], [7]. L’émetteur OFDM peut être vu comme une transformation linéaire opérée sur un bloc de symbole complexe indépendant et identiquement distribué (i.i.d.) dans le domaine fréquentiel. L’amplitude du signal OFDM pourrait ainsi être élevée. Etant donné que les amplificateurs de puissance (Powers Amplifiers ou PAs) sont dans la pratique uniquement linéaire sur une plage donnée, le signal OFDM pourrait souffrir d’une distorsion. Pour éviter cette dernière, les PAs doivent avoir une large plage de fonctionnement, conduisant à une amplification insuffisante et/ou à un coût de fabrication exorbitant.

Schéma de diversité à l’émission

              Dans la LTE, la diversité à l’émission est uniquement définie pour deux et quatre antennes d’émission, et un flux de données, référé dans la LTE comme un mot code (codeword) puisqu’un seul block de transport CRC est utilisé par flux de données. Pour maximiser le gain de diversité, les antennes ont besoin d’être décorrélées, ainsi elles ont besoin d’être bien séparées relativement à la longueur d’onde ou avoir différentes polarisations. La diversité à l’émission a son intérêt dans plusieurs scénarii, incluant le SNR faible, la faible mobilité (pas de diversité temporelle), ou pour les applications à faible tolérance en délai. Les schémas de diversité sont aussi souhaitables pour les canaux pour lesquels il n’y a pas de feedback de signalisation sur la liaison montante (ex. MBMS pour Multimedia Broadcast/Multicast Services, PBCH pour Physical Broadcast Channel, ou encore signaux de synchronisation). Dans la LTE, le schéma MIMO est indépendamment attribué pour les canaux de contrôle et les canaux de données, et est également attribué indépendamment par UE dans le cas de canaux de données (PDSCH pour Physical Downlink Shared CHannel). Les schémas de diversités à l’émission peuvent-être utilisés dans la LTE pour le PBCH et le Physical Downlink Control Channel (PDCCH), et aussi pour le PDSCH s’il est configuré en mode de diversité à l’émission pour un UE.

CONCLUSION GENERALE

                 Ce travaille détaille deux des trois principales évolutions retrouvées dans la LTE : l’OFDMA et la technologie multi-antenne. Pour la troisième, l’EPC, nous renvoyons le lecteur à l’ouvrage concerné listé en bibliographie [6]. L’OFDM est une technologie quasiment présente dans les dernières générations de radiocommunication mobile suite à ses nombreux avantages. L’OFDM résiste aux méfaits de l’ISI suite à l’introduction du CP, allant jusqu’à transformer ceux-ci en avantages convertissant la convolution obtenu dans le domaine temporel, naissant de la propagation à trajets multiples, en une multiplication dans le domaine fréquentielle. Ce premier avantage conduit à une moindre complexité de fabrication du récepteur. L’OFDM est aussi une technologie conçue pour tout scénario de déploiement. Dans un premier temps, il s’adapte à toute plage de fréquence disponible. La largeur de la bande de fréquence est également paramétrable suivant le débit atteignable voulu sans modification des équipements utilisés que ce soit du côté de l’eNodeB ou de l’UE. Le CP est modifiable suivant l’environnement de propagation et la mobilité de l’UE. Il est également important de soulever l’usage de multiples sous porteuses orthogonaux qui évite la nécessité de séparer chaque sous bande par un intervalle de garde, augmentant ainsi l’efficacité spectrale. Pour terminer, un schéma d’accès multiple étend l’OFDM pour s’adapter aux demandes de ressources simultanées venant des utilisateurs : l’OFDMA. Dans le dernier chapitre, nous avons revu les familles prédominantes des techniques MIMO, à utilisateur(s) unique et multiples. Le premier est bien maitrisé dans la première version de la LTE si l’usage du second y est limité. Plusieurs techniques s’entraident pour permettre au SU-MIMO de fonctionner correctement entre autres l’application du SFBC, combiné dans le cas de 4 antennes à l’émission au FSTD, ceci pour une séparation facile à la réception étant donné que les symboles émis sont orthogonaux. Deux modes existent pour la formation de faisceau à l’émission dont le pré-codage en boucle fermée de rang 1 ou celle assistée par des RSs. Dans le premier, l’UE délivre un feedback PMI si l’eNodeB essaie de déduire cette information dans le cas du second. Dans le cas d’une émission en boucle ouverte sur plusieurs couches, la notion de CDD est introduite afin d’outrepasser les méfaits d’un canal pauvre en fading. Mentionnons enfin les feedbacks CQI, PMI et RI qui, ensemble, garantissent une émission efficace dans le cas du SUMIMO : le premier influençant le choix du MCS à appliquer, le second indiquant la matrice de pré-codage préféré par l’UE, et le dernier le nombre de couches pouvant être simultanément émises. Le cas du MU-MIMO quant à lui nécessite un CSIT fiable. Deux approches existent pour cela : l’UP et le CVQ. Avec l’UP, l’UE parcours le dictionnaire de code pour indiquer la matrice de pré-codage adéquate. Le CVQ par contre se réfère à une quantification du canal et à la sélection de la matrice de pré-codage qui s’en rapproche le plus. Un aspect important de la technologie MUMIMO est le choix d’un ensemble d’utilisateurs à servir, un choix qui se base logiquement sur la capacité totale atteinte. La formation de faisceau à la réception a également toute son importance dans la LTE étant donné que les UEs sont équipés de 2 antennes de réception. Trois principaux égalisateurs émergent : MMSE, MQE et SVD. Pour finir, côté performance le CMMH fait preuve de performance élevée en pré-codage, couplé à une configuration d’antennes . Pour le MUMIMO un émetteur ZF épaulé par un récepteur MMSE atteint son apogée avec un feedback basé sur 6bits.

Table des matières

REMERCIEMENTS
AVANT-PROPOS
NOTATIONS
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART SUR LA LTE 
1.1 La LTE dans le domaine de la télécommunication mobile
1.2 Exigences et objectifs de la LTE
1.3 Technologies de la LTE
1.3.1 La technologie multi-porteuse
1.3.2 La technologie à antennes multiples
1.3.3 Interface radio à commutation de paquets
1.4 Architecture réseau
1.4.1 Le CN ou EPC
1.4.2 La partie RA
CHAPITRE 2 : L’OFDMA (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS) 
2.1 L’OFDM
2.1.1 Principe du multiplexage orthogonal
2.1.2 Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) et sensibilité à la non linéarité
2.1.3 Sensibilité au décalage fréquentiel (CFO ou Carrier Frequency Offset) et au canal variant dans le temps
2.1.4 Erreur de synchronisation et dimensionnement du préfixe cyclique (Cyclic Prefix)
2.2 OFDMA ou Orthogonal Frequency Division Multiple Access
2.2.1 Dimensionnement des paramètres
2.2.2 Paramètres de la couche physique pour la LTE
CHAPITRE 3 : LA TECHNOLOGIE MULTI-ANTENNE 
3.1 Fondements de la technologie multi-antenne
3.1.1 Vue d’ensemble
3.1.2 Modèle de signal MIMO
3.1.3 Techniques SU-MIMO
3.1.3.1 Transmission optimale sur les systèmes MIMO
3.1.3.2 Formation de faisceau dans le cas d’une seule antenne à l’émission ou à la réception
3.1.3.3 Multiplexage spatial sans connaissance du canal de transmission à l’émetteur
3.1.3.4 Diversité
3.1.4 Technique Multi-User
3.1.4.1 Comparaison SU et MU-MIMO
3.1.4.2 Technique pour les UEs à antenne unique
3.1.4.3 Technique pour les UEs à antennes multiples
3.1.4.4 Comparaison sur la capacité dans le cas d’utilisateur(s) unique ou multiples
3.2 Les schémas MIMO dans la LTE
3.2.1 Schémas à utilisateur unique
3.2.1.1 Schéma de diversité à l’émission
3.2.1.2 Schéma de formation de faisceau
3.2.1.3 Schéma de multiplexage spatial
3.2.1.4 Estimation du feedback et signalisation
3.2.2 Schémas à utilisateurs multiples
3.2.2.1 Stratégie de pré-codage et support de signalisation
3.2.2.2 Calcul du Precoding Vector Indicator (PVI) and CQI
3.2.2.3 Mécanisme de sélection d’utilisateurs
3.2.2.4 Egaliseurs spatiaux du récepteur.
3.2.3 Performance MIMO de la couche physique
3.2.3.1 Performance de pré-codage
3.2.3.2 Performance MU-MIMO
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 : CODES SOURCES MATLAB DES SIMULATIONS
ANNEXE 2 : QPSK, 16-QAM et 64-QAM
BIBLIOGRAPHIE
RENSEIGNEMENTS

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