TECHNOLOGIES DE BASE DE LA LTE ET DE LA LTE-A

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IMT-2000 et IMT-Avancée

La quatrième génération (4G) des systèmes cellulaires sans fil a été un sujet d’intérêt pour un temps assez long, depuis que la définition formelle de la troisième génération (3G) des systèmes mobiles a été officiellement achevée par l’Union Internationale des Télécommunications-Secteur des Radiocommunications (UIT-R) en 1997. Une série d’exigences a été spécifié par l’UIT-R concernant la valeur minimum des débits de données de l’utilisateur dans des environnements différents à travers ce qui est connu comme le projet 2000 de télécommunications mobiles internationales (IMT-2000). Les exigences inclus 2048 kbps pour un bureau à l’intérieur, 384 kbps pour l’extérieur dans des environnements piétonniers à l’intérieur, 144 kbps pour les connexions de véhicules, et 9,6 kbps pour les connexions par satellite. La figure 1.02 montre l’architecture générale du réseau 2G/3G.
Avec l’objectif de créer une entité de collaboration entre les différentes associations de télécommunications, le 3rd Generation Partnership Project (3GPP) a été créé en 1998, a commencé à travailler à la radio, le réseau de base, et de l’architecture de services d’une spécification de la technologie applicable à l’échelle mondiale du 3G. La combinaison de «High Speed Downlink Packet Access» (HSDPA) et l’ajout ultérieur d’un canal dédié amélioré, également connu sous le nom de «High Speed Uplink Packet Access» (HSUPA), a conduit au développement de la technologie dénommée «High Speed Packet Access» (HSPA) ou, de façon plus informelle, 3.5G. Motivé par la demande croissante pour les services à large bande mobiles à des débits plus élevés et la qualité de service (QoS), le 3GPP a commencé à travailler sur deux projets parallèles, Long Term Evolution (LTE) et Architecture du système Evolution (SAE), qui sont destinés à définir à la fois le réseau d’accès radio (RAN) et le cœur de réseau du système, et sont inclus dans 3GPP Version 8 LTE/SAE, aussi connu comme le système de paquets évolué (EPS), et représente une avancée radicale pour l’industrie du sans-fil que les objectifs de fournir un service très efficace, à faible latence, paquet optimisé et plus sûr. Les principales conceptions d’accès radio paramètres de ce nouveau système comprennent l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) des formes d’onde afin d’éviter l’interférence inter-symbole qui limite généralement la performance des systèmes à grande vitesse, et les techniques MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) pour augmenter les débits de données. A la couche de réseau, un QoS de support à une architecture à plat tout IP a été définie. Le premier service LTE à la disposition du public du monde entier a été ouvert par TeliaSonera dans les deux capitales scandinaves Stockholm et Oslo le 14 Décembre 2009, et les premières mesures de contrôle sont en cours de réalisation. Cependant, au moment où l’élaboration des normes a commencé, le cadre de l’UIT-R pour les systèmes 4G n’était pas en place, et la recherche et les mesures plus tard confirmé que le système n’a pas pleinement respecté les exigences de l’UIT 4G. Pour cette raison, le terme 3.9G a été largement utilisé dans l’attente de leur évolution vers le statut officiel 4G en temps voulu.
Avant que le 3GPP ait commencé à travailler dans la technologie sans fil 4G réel, des modifications mineures ont été introduites pour la LTE version 9. En particulier, les femtocells et double couche formation de faisceaux («beamforming»), prédécesseurs de futures technologies LTE-A, ont été ajoutées à la norme. La définition formelle de la quatrième génération des systèmes mobiles 4G, connue sous le nom de « International Mobile Telecommunication Advanced» (IMT-Avancée ou «IMT-Advanced») du projet, a finalement été publiée par l’UIT-R à travers une lettre circulaire en Juillet 2008 avec un appel à des technologies d’interface radio candidats (RIT) [18]. En Octobre 2009, six technologies ont été soumis pour approbation à la recherche comme standard international de communication 4G. Le candidat du 3GPP LTE-A est, l’amélioration de la compatibilité ascendante de la LTE version 8 qui est complètement spécifié dans le 3GPP Version 10 [19]. Par la compatibilité ascendante, il est signifié qu’il est possible de déployer la LTE-A dans un spectre déjà occupé par LTE sans impact sur les terminaux LTE existants. D’autres technologies de candidats sont IEEE 802.16m et le ministère chinois de l’Industrie et Technologies de l’Information TD-LTE-A (spécification LTE-A TDD) [20,21].
L’ensemble des exigences de haut niveau de l’IMT-Avancée établi par l’UIT-R dans [22] est la suivante:
• Un degré élevé de standardisation de fonctionnalité le monde entier tout en conservant la souplesse nécessaire pour soutenir un large éventail de services et d’applications de manière rentable.
• Compatibilité des services au sein de l’IMT et avec les réseaux fixes.
• Compatibilité d’internet avec d’autres systèmes d’accès radio.
• Les appareils mobiles sont de haute qualité.
• L’équipement de l’utilisateur est approprié pour une utilisation dans le monde entier.
• Les applications, services et équipements sont conviviales.
• Capacité d’itinérance dans le monde entier (roaming).
• Débits maximaux améliorés pour soutenir les services et applications Avancés (100 Mbit/s pour une grande mobilité et 1 Gbit/s pour une faible mobilité ont été mis en place en tant que cibles pour la recherche).
Toutes les exigences ci-dessus, à l’exception du dernier, sont de haut niveau, c’est à dire qu’ils ne quantifient pas les exigences de performance; en outre, ils ont été largement poursuivi déjà par l’industrie. Quand il s’agit d’une description détaillée des exigences IMT-Avancée, des objectifs explicites ont été fixés pour la performance moyenne et cellule-bord en plus des débits de données de pointe habituelles. Il s’agissait d’une question nécessaire à aborder car ils définissent l’expérience pour l’utilisateur typique. Les exigences en matière de la LTE-A ont donc été définies pour atteindre ou même améliorer l’IMT-Avancée. Toutefois, comme indiqué dans [23], l’objectif de l’efficacité de spectre moyen et l’efficacité du débit du cellule-bord («cell-edge») utilisateur devrait être accordée à une priorité plus élevée que l’objectif de capacité d’efficacité de spectre de pic et de voix sur IP (VoIP). Par conséquent, les propositions de solution de la LTE-A, les principales dispositions sont couverts par le présent document, se concentrer sur le défi d’élever la performance moyenne et cellule-bord. La relation entre les exigences de la LTE, LTE-A, et IMT Avancé sont présentés dans le tableau 1.01.
D’autres exigences importantes sont déjà mentionnés comme la compatibilité ascendante de la LTE-A avec LTE et la flexibilité du spectre, c’est à dire, la capacité de la LTE-A à être déployé dans les spectres alloués différents puisque chaque région ou pays a des réglementations différentes. La principale question est maintenant de développer les technologies appropriées qui permettent à la LTE-A de répondre aux objectifs proposés. Du point de vue de la performance du lien, la LTE a déjà atteint des taux très proches de la limite de Shannon de données, ce qui signifie que l’effort principal doit être fait dans le sens de l’amélioration du rapport de signal-interférence-sur-bruit (SINR) vécue par les utilisateurs et par conséquent, de fournir des débits de données sur une plus grande partie de la cellule. Les figures 1.03, 1.04, 1.05 ci-dessous illustrent ces exigences.
Figure 1.03 : La définition de l’IMT-2000 d’après ITU-R.
Figure 1.04 : Illustration des possibilités de l’IMT-2000 et de l’IMT-Avancée, basé sur la structure décrite par la Recommandation M.1645 [1] de l’ITU -R
Figure 1.05 : Interface Radio des technologies pour l’IMT-Avancée

Débits de données élevés dans les communications mobiles

Comme nous l’avons vu précédemment, l’objectif principal pour l’évolution de la communication mobile est de fournir la possibilité de taux nettement plus élevés de données de l’utilisateur final par rapport à ce qui est réalisable avec, par exemple, les premières versions de la norme 3G. Cela inclut la possibilité pour des débits de données de pointe plus élevée mais, d’autant plus la possibilité de taux nettement plus élevés de données sur la zone de la cellule entière, y compris aussi, par exemple, les utilisateurs sur le bord de la cellule. La première partie de ce chapitre présente brièvement quelques-unes des contraintes les plus fondamentales qui existent en termes de ce que les taux de données peuvent effectivement être atteints dans différents scénarios. Cela fournira un contexte de discussions ultérieures dans la dernière partie de ce chapitre, ainsi que dans les chapitres suivants, concernant les différents moyens d’augmenter les débits de données de performances dans les différents scénarios de communication mobile. Le Tableau 1.02 donne un sommaire des débits de données maximum de différentes normes sans fil.
En regardant les débits maximums offerts par ces systèmes, le standard LTE (3GPP version 8) fournit un débit maximum de 300 Mbps. La LTE-A (3GPP version 10) fournit un maximum de débit théorique de 1 Gbps. La figure 1.01 représente une amélioration en débit de données de l’ordre de 2000 fois plus par rapport à la technologie GSM/EDGE et 50 à 500 fois celui fourni par les systèmes W-CDMA/UMTS (3G). Cette évolution a été réalisée par le développement de nouvelles technologies dans une période de 10 ans. On peut affirmer que cette évolution extraordinaire tient fermement des racines et formules mathématiques permettant d’établir les technologies utilisées dans les standards de la LTE.

Débits de données élevés: Contraintes fondamentales

Shannon a fourni les outils théoriques de base nécessaires pour déterminer le taux maximal, aussi connu comme la capacité du canal, par lequel l’information peut être transférée sur un canal de communication donné. Bien que relativement compliqué dans le cas général, pour le cas particulier de la communication sur un canal, par exemple une liaison radio, uniquement altérée par un bruit additif blanc gaussien, la capacité C du canal est donné par l’expression relativement simple [3] : (1.01) Où BW est la bande passante disponible pour la communication, S désigne la puissance du signal reçu, et N désigne la puissance du bruit blanc altérant le signal reçu.
Déjà à partir de l’équation 1.01, il est clair que les deux facteurs fondamentaux limitant le débit de données possible sont la puissance disponible du signal reçu, ou plus généralement le rapport S/N disponibles signal de puissance par rapport à la puissance du bruit, et la bande passante disponible. Pour plus de clarté comment et quand ces facteurs limitent le débit de données possible, il faut assumer la communication avec un certain débit d’informations R. La puissance reçue du signal peut alors être exprimée en , où est l’énergie reçue par bit d’information. En outre, la puissance de bruit peut être exprimée sous la forme , où est la densité spectrale de puissance du bruit mesuré constant en W/Hz.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE ET PRESENTATION DU PROBLEME
CHAPITRE 1 INTRODUCTION ET GENERALITES SUR LA LTE
1.1 Evolution des Systèmes Mobiles avant la LTE
1.2 IMT-2000 et IMT-Avancée
1.3 Débits de données élevés dans les communications mobiles
1.3.1 Débits de données élevés: Contraintes fondamentales
1.3.2 Des débits élevés dans les scénarios de bruit limité
1.3.3 Des débits élevés de données dans les scénarios d’interférence limitée
1.4 L’augmentation des débits de données dans une bande passante limitée: Modulation D’Ordre Supérieur
1.4.1 Modulation d’ordre supérieur en combinaison avec le codage canal:
1.4.2 Les variations instantanées de la puissance d’émission
1.4.3 Bande passante plus large incluant une transmission multi-porteuse
1.4.4 Transmission Multi-porteuse
CHAPITRE 2 TECHNOLOGIES DE BASE DE LA LTE ET DE LA LTE-A
2.1 Architecture du Réseau LTE-A.
2.1.1 Vue générale de l’E-UTRAN de la LTE-A
2.1.2 Vue Générale de l’Evolved Packet Core EPC
2.1.3 Gestion de la bande passante et du Spectre
2.1.4 Le partage du spectre
2.2 Transmission OFDM
2.2.1 Principes de base de l’OFDM
2.2.2 Démodulation OFDM
2.2.3 Implémentation de l’OFDM en utilisant les Transformées de Fourrier Rapides Inverses (TFRI)
/Transformées de Fourrier Rapides (TFR)
2.2.4 Insertion du Préfixe Cyclique (CP « Cyclic-Prefix »)
2.2.5 Modèle de transmission OFDM dans le domaine fréquentiel
2.2.6 Estimation de canal et symboles de référence
2.2.7 Diversité de fréquence avec l’OFDM: importance du codage de canal
2.2.8 Sélection des paramètres OFDM de base
2.2.8.1 Espacement de sous-porteuse OFDM
2.2.9 Variations de puissance de transmission instantanée
2.2.10 OFDM comme utilisateur multiplexé et système d’accès multiple
2.2.11 Diffusion multi-cellule/multidiffusion et transmission OFDM
2.3 Conclusions
CHAPITRE 3 LES PRINCIPALES TECHNOLOGIES AMELIORES DE LA LTE-A
3.1 MIMO amélioré
3.1.1 Description générale
3.1.2 MIMO à site unique
3.1.3 La liaison descendante de la Transmission MIMO
3.1.4 La liaison montante de la transmission MIMO
3.2 Transmission et réception coopérative multipoint (CoMP) pour la LTE-A
3.2.1 Architecture CoMP
3.2.2 Le système CoMP
3.2.3 Introduction sur les relais
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 LES TRANSMISSIONS DE LA LIAISON MONTANTE ET SIMULATION DE LA LTE/LTE-A
4.1 Egalisation contre la sélectivité en fréquence du canal Radio
4.1.1 Egalisation linéaire dans le domaine temporel
4.1.2 Égalisation dans le domaine de fréquence
4.1.3 Autres stratégies d’égaliseur
4.2 Liaison montante FDMA avec assignation de bande passante flexible
4.3 Propagation DFT de l’OFDM
4.3.1 Principes de bases
4.3.2 Récepteur du DFTS-OFDM
4.3.3 Multiplexage de l’utilisateur avec le DFTS- OFDM
4.3.4 Le DFTS-OFDM distribué
4.4 Exemples de simulations LTE sous Matlab
4.4.1 L’OFDM
4.4.2 Simulation 3 : le MIMO
4.4.3 Simulation 4 : Transmission OFDM de la liaison descendante PDSCH
4.5 Synthèses
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 FONCTIONS SPECIALES UTILISEES
ANNEXE 2 EXTRAIT DE CODE SOURCE
ANNEXE 3 TABLEAU DE DONNEES DE SYNTHESE SUR LA LTE
BIBLIOGRAPHIE

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