Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et ... · en OFDMA multi-cell ... + adaptation...

02/2008 – 03/2010

6 décembre 2010

Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et services »

APOGEE Analyse et oPtimisatiOn des

systèmes d’après 3ème GEnEration

Colloque « Télécommunications – réseaux du futur et services » - Rennes du 6 au 8 décembre 2010

2

SOMMAIRE

1. Description générale

2. Etudes et simulations

3. Plateforme matérielle

4. Bilan général


3

1 – Description générale

1.1 – Description générale - Contexte


4

• Aujourd’hui: Réseaux 3G en complément des réseaux 2G – Plus de services, plus de débit et support de la qualité de service

– Déjà plus de 400 millions d’abonnés 3G dans le monde

– En dépit du déploiement des réseaux HSPA+, congestion rapide anticipée

• En 2003, lancement du projet IMT-Advanced par l’ITU – Vision de l’ITU des réseaux 4G

– 1 Gbit/s en voie descendante et 500 Mbit/s en voie montante à faible mobilité

– Déploiement prévu au mieux vers 2013-2015

– Besoin de solutions intermédiaires

• En 2004, le 3GPP lance le projet exploratoire LTE (Long-Term Evolution) – Nouvelle interface radio, nouveau réseau cœur

– Première version publiée fin 2008 (Release 8)

– Premiers déploiements prévus fin 2010, début 2011

• Nécessité de faire évoluer rapidement le standard – Vers la 4G (IMT-A)

– Exploitation des marges inhérentes à un nouveau système

1.2 – Description générale - Objectifs


5

• Objectif du projet APOGEE:

Contribuer à l’évolution du système 3GPP/LTE

• Focalisation sur la voie montante (UL)

• Rappel: Voie descendante (DL) traitée

dans le cadre du projet RNRT OPUS

3GPP: LTE Study Item LTE Rel. 8 Work Item + CR

LTE-A Study Item LTE-A Work Item Rel. 10

LTE Rel. 9

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Sept: soumission à IMT-A

APOGEE OPUS

1.2 – Description générale - Objectifs


6

Deux volets complémentaires

1. Proposition et étude de techniques avancées – Niveau lien en voie montante

– Niveau système en voies montante et descendante

2. Evaluation et validation matérielle – Interface air uniquement (MAC et PHY)

– Validation en situations réelles d’une sélection de techniques

– Retour sur la complexité des futurs équipements

1.3 – Description générale - Organisation


7

MERCE

Rennes

TeamCast

St Grégoire

Orange Labs

RESA/WIN

Rennes

Supélec

Gif-sur-Yvette

EURECOM

Sophia-Antipolis

CEA-LETI

Grenoble

• Projet ANR de type précompétitif

• T0=1er février 2008, durée de 26 mois, fin: 03/2010

• Budget total du projet : 2.2 M€ (178 h.m), aide accordée 0.878 M€

1.3 – Description générale - Organisation


8

• Découpage du projet

T3.2: Développement des têtes RF

T3.1: Specification du démonstrateur

T3.4: Développement de la couche MAC

T3.3: Développement des modules bande de base

T3.5: Intégration du démonstrateur complet

T3.5: Intégration de la voie montante

T2.2: Dvpt/intégration d’un simulateur de référence

T2.1: Spécifications des algo. (PHY/MAC) (Démonstrateur)

T2.4: Etudes système

T2.3: Etudes d’algo. avancés de la couche PHY

T1.2: Définition des scenarii et critères d’évaluation

T1.1: Gestion du projet

T1.3: Synthèse des activités du 3GPP/LTE

SP3: Démonstrateur matériel

SP2: Optimisation des performances du système

SP1: Gestion du projet et spécifications générales

APOGEE: MERCE

SP1: MERCE

SP2: Orange-Labs

SP3: MERCE


9

2 – Etudes et simulations

2.1 – Etudes et simulations - Objectifs


10

Deux objectifs complémentaires

Développer un simulateur logiciel de la plateforme matérielle

• Référentiel des spécifications

• Calibration des performances

• Outils pour la validation

Conduire l’étude de solutions avancées aux niveaux lien et système pour amélioration et l’optimisation du standard 3GPP/LTE

• Renforcement et élargissement de l’état de l’art

• Support à la standardisation

2.2 – Etudes et simulations – Résultats : Support au SP3


11

• Spécification des algorithmes PHY/MAC de la plateforme matérielle

– Paramètres du système

– Spécifications des différents fonctionnalités implémentées dans le simulateur (modulateur, codeur, MIMO, HARQ, RF,…)

• Développement et intégration de simulateurs de référence pour la plateforme

– Utilisation de la plateforme Galacsy développée par Orange-Labs

– Simulateur servant à tester les performances des différentes techniques de la couche PHY implémentées dans le démonstrateur

– Livraisons de 2 versions : une chaîne de référence V0 conforme aux spécifications de base du démonstrateur (SISO et SIMO) et une chaîne V1 comprenant des spécifications avancées (HARQ, RF, MIMO, SINR).

SISO: Single Input Single Output SIMO: Single Input Multiple Output MIMO: Multiple Input Multiple Output HARQ: Hybrid Automatic Repeat reQuest SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio

2.2 – Etudes et simulations – Résultats : Support au SP3


12

Simulateur lien générique SC-FDMA dans ses versions V0 et V1

2.3 – Etudes et simulations – Résultats : Etudes avancées


13

• Plus de 18 études sur une grande variété de thématiques

• Etudes fondamentales et appliquées

• A destination de la standardisation ou à vocation industrielle

• Vue générale

• Lien : Codage de canal, entrelacement et allocation de ressources

• CEA-LETI (1), Orange Labs (2)

• Lien : Codage multi-antenne

• EURECOM (5), MERCE (1), SUPELEC (1)

• Lien : RF

• TeamCast (1)

• Système : Stratégie d’allocation de ressources

• CEA-LETI (1), EURECOM (1), SUPELEC (4)

• Système : Optimisation de la gestion ressources DL/UL

• SUPELEC (2)

• Système : Récepteurs avancés

• Orange Labs (1)

2.3 – Etudes et simulations – Exemples d’études avancées


14

Diversité d’égaliseurs linéaires en

MIMO SC-FDMA (EURECOM)

• Diversité d’un canal MIMO sélectif en fréquence

L Nt Nr

• Diversité d’un égaliseur linéaire de base :

Nr-Nt+1 au lieu de L Nt Nr !!!

• Avec “zero padding” + pré-filtrage linéaire :

diversité d’un égaliseur linéaire ZF

L Nr (Nt – Nr + 1) !

• Diversité d’un égaliseur linéaire MMSE :

- A faible débit : diversité complète !

- A haut débit R : diversité du ZF

R=1bit/symbol

Beamforming optimal

en OFDMA multi-cell (SUPELEC)

• Problème d’optimisation des ressources dans un

contexte MIMO OFDMA liaison descendante multi-

cellule

- Très complexe et optimisation non-convexe

• Proposition de combiner une structure de

beamformer et d’allocation de ressources.

- Minimisation de la puissance transmise

parmi toutes les stations de base sous

contrainte d’atteinte d’un débit usager dans

chaque cellule.

- ZFBF loin de l’optimal surtout à fort débit

2.4 – Etudes et simulations – Bilan


15

• Objectifs largement atteints

– Développement d’un simulateur de référence pour la plateforme HW

• Chaîne commune développée par tous les partenaires

• Stricte conformité entre les plateformes logicielle et matérielle

• Large exploitation de la chaîne dans le SP3

– De nombreuses études avancées

• Fondamentales et appliquées

• 34 publications de conférence et 5 articles de revues

• 3 études en support de la standardisation 3GPP/LTE

– Orange-Labs : Récepteur Turbo-SIC, clustered SC-OFDM

– MERCE: Généralisation de la technologie MIMO SC-SFBC

• Quelques déviations – Retard dans la livraison de certains livrables


16

3 – Plateforme matérielle

3.1 – Plateforme matérielle – Objectifs


17

• Objectif : Validation expérimentale de technologies avancées destinées aux évolutions du système 3GPP/LTE en voie montante

– Faisabilité, complexité, démonstrations

• Moyen : Développement d’une plateforme matérielle temps-réel avec transmission radio

– 2 équipements (1 terminal et 1 station de base)

– Têtes RF dédiées avec précorrection RF adaptative

– Multi-antennes (2 Tx, 4 Rx)

– Couche physique et couche MAC

– Voie descendante remplacée par un lien filaire

3.2 – Plateforme matérielle – Spécifications


18

• Basées sur les spécifications du 3GPP/LTE (Release 8)

• Toutes les fonctions PHY et MAC

• Transmission des données en RF ou bande de base (lien série sur 10 m)

Fonctionnalités de référence Solutions avancées

Bande de 2.4-2.6 GHz

Canal de 20 MHz

Modulation SC-FDMA

QPSK, 16QAM et 64QAM

Turbo code LTE

Diversité de réception

Jusqu’à 70 Mbit/s

SIMO: Single Input Multiple Output MIMO: Multiple Input Multiple Output SC-SFBC: Single Carrier – Space Frequency Block Code LDPC: Low Density Parity Check DBTC: Duo binary Turbo Code

Couche MAC avancée (EURECOM)

- Allocation dynamique

- Adaptation de lien

Turbo Code duo-binaire (OL)

LDPC quasi-cyclique (CEA-LETI)

Schéma MIMO SC-SFBC (MERCE)

- 21, 22 and 24

Précorrections RF (TEAMCAST)

3.2 – Plateforme matérielle – Spécifications

19

Têtes RF: Basées sur les têtes OPUS + précorrection côté Tx + 4 antennes côté Rx

Couche MAC: Basée sur openair + adaptation au LTE + portage sur 2 cibles ≠

Terminal: Carte spécifique FPGA+ASIC+processeur Intégré dans un boîtier dédié

Station de base: Carte du commerce FPGA+processeur Intégré dans un PC

CEA-LETI

MERCE

ORANGE

EURECOM

TEAMCAST

L1/L2 control signaling

Sc mapping

Mapping

Scrambling

Channel interleaving

Channel encoding

HARQ-Tx

CRC insertion

AGC

Timing advance

Channel estimation

L1/L2 interface

UE RF front-end

CP insertion

MIMO encoding

UE MAC layer

CP removal

Sc de-mapping

Soft de-mapping

De-framing

De-scrambling

Channel de-interl.

Channel decoding

HARQ-Rx

CRC checking

L1/L2 interface

BS RF front-end

BS MAC layer

DFT

IFFT FFT

Framing

ZF FDE (SISO) MRC + ZF (SIMO) MMSE (MIMO)

IDFT

Rate matching Rate de-matching

LLR computation

SRS estimation

Demodulation

Down-sampling

Modulation Up-sampling

LTE TC

Duo-binary TC

LDPC

3.3 – Plateforme matérielle – Résultats


20

Tête RF Tx

2 voies 2.4-2.6 GHz BW=20 MHz -10 à +16 dBm Précorrections RF

Bande de base

PC applications

Ecran de contrôle

Toutes les fonctions intégrées - MIMO SC-SFBC (2x2) - code avancé LDPC - code avancé DBTC Déviation

- Processeur ARM défectueux - Pas de couche MAC

1 FPGA Xilinx Virtex 5 lx220 +Interfaces



21

PHY (FPGA) MAC (PPC)

Carte AGC

Ecran de métrologie PC applications

Tête RF Rx

Bande de base

4 voies 2.4-2.6 GHz BW=20 MHz -80 à -20 dBm

Toutes les fonctions intégrées - MIMO SC-SFBC (2x2) - décodeur avancé LDPC - décodeur avancé DBTC - MAC (partiel) - Métrologie Déviation -2 voies de réception sur 4 3 FPGA Xilinx Virtex 4 lx160

1 FPGA Xilinx Virtex pro vp50 +Interfaces



22

• Plateforme complète intégrée et fonctionnelle – Temps-réel, transmission radio à 2.48 GHz

– Data par voie radio et signalisation par Ethernet

– 1 terminal APOGEE + 1 terminal MERCE (support de la couche MAC)

– Transmission radio de 2 vidéos en simultané

Station de Base Terminal



23

• Toutes les fonctionnalités intégrées ont été évaluées – Evaluation de performances en termes de BER et PER

– Comparaison avec les résultats de la chaîne de simulation

– Mesures en bande de base et RF

– Emulation de canaux fixe (notch) et variable (3GPP/SCM-B) sur FPGA

– Ecart de 1-2 dB

Fonctions calibrées

– SC-FDMA LTE TC

– Slot-hopping

– HARQ

– Diversité de réception

– MIMO SC-SFBC

– Turbo Code duo-binaire

– LDPC non binaire

– Précorrection RF

3.4 – Plateforme matérielle – Bilan


24

• Objectifs du SP3 globalement atteints

– Sélection et développement de 5 solutions avancées • 1 par partenaire SP3

– Plateforme APOGEE développée, intégrée et fonctionnelle • Support du temps-réel, transmission radio à 2.4 GHz avec antennes multiples

• Plateforme intégrée conformément au calendrier

– Performances mesurées • Rappel : Contrainte imposée au montage du projet

– Validation d’une transmission à 2.5 bit/s/Hz

• Quelques déviations – Délai dans la production des livrables

– Support de 2 antennes sur 4 en réception (limitation matérielle)

– Couche MAC partiellement intégrée (problème matériel)

– Retard dans la phase de mesures (plateforme exploitée dans WINNER+)


25

4 – Bilan général

4 – Bilan – Points forts


26

• Une forte activité de recherche en support de la standardisation LTE

– Plus de 18 études au niveau lien et système

– Support directe à 3 contributions 3GPP/LTE

• Une plateforme matérielle versatile pour l’évaluation de solutions LTE

– 5 fonctions avancées intégrées et validées (1 partiellement)

– Outil flexible pour l’évaluation temps réel de performances

• Une plateforme de simulation logicielle de niveau lien flexible et performante

• Une collaboration étroite et fructueuse

• Une large dissémination

– 39 publications internationales, 1 site Web

– Démonstration de la plateforme aux conférences FNMS et CELTIC 2010

4 – Bilan - Retombées


27

• Plateforme matérielle exploitée dans de nombreux projets – CELTIC WINNER+, IST ARTIST 4G, IST BEFEMTO, ANR M3

• De nombreuses solutions technologiques disponibles pour les constructeurs et

les futures versions du standard LTE

• Acquisition et renforcement de compétences sur les technologies clés des réseaux cellulaires

– Aide à la prise de décision pour l’opérateur historique

• Briques technologiques matérielles

– Décodeur MIMO, DFT, précorrection RF, décodeurs canal avancés

• Acquisition d’expertise dans le développement de têtes RF MIMO


28

MERCI DE VOTRE ATTENTION

QUESTIONS ?

2.2 – Etudes et simulations – Support au SP3


29

Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et ... · en OFDMA multi-cell ... + adaptation...

Documents

Transcript of Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et ... · en OFDMA multi-cell ... + adaptation...