Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et services »

Projet ORMAC Optimisation des Réseaux Mobiles par

Accroissement de la Capacité

Présentation de fin de projet Isabelle Icart, Thales Communications

Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et services »

Réponse au problème / approche

• Mesurer, caractériser – Acquérir une connaissance approfondie du canal de propagation

• Définition des besoins

• Sondage de canal, exploitation des mesures, élaboration de modèles

• Rechercher – Algorithmes adaptés aux conditions de propagation difficiles

• Solutions MIMO/MIMO virtuel : précodage à feedback réduit, exploitation des diversités fréquence/temps

• Allocation de ressources, ordonnancement multi-utilisateurs

• Annulation/gestion des interférences inter et intra-cellulaires

• Valider – Démonstration de concept des solutions proposées

• Communiquer – Diffusion des résultats : publications, communications, ….

Tâches et rôle des différents partenaires

• SP1: Analyse du besoin (resp. SFR + tous) – Scénarios représentatifs (environnements, fréquences,…)

– Objectifs, performances attendues

• SP2: Sondage de canal et acquitions (resp. THALES + tous) – Fourniture des moyens de test: sites, fréquences (SFR, THALES), sondeur (THALES), valise

d’émission (ETSA)

– Expérimentations de sondage de canal (SFR, ETSA, THALES)

– Dépouillement, analyse des résultats (tous)

– Modèle de canal (THALES)

• SP3: Etude des techniques d’accès (resp. EURECOM + tous sauf ETSA) – Etude de solutions d’accroissement de capacité (ETIS/CNRS, EURECOM, THALES)

– Analyse critique comparative des solutions proposées (ETIS/CNRS, EURECOM, THALES, SFR)

• SP4: Démonstration (resp. THALES+ tous) – Evolutions du sondeur de canal (THALES)

– Réalisation du démonstrateur : structure numérique de base, briques spécifiques (THALES, EURECOM), partie analogique (THALES, ETSA)

– Mise en place des démonstrations: définition des scenarios (tous)

– Démonstrations, analyse des résultats (tous)

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

SP1 : Analyse du besoin


• Définition des besoins – Amélioration significative des performances radio sur les mailles actuelles

sans ajouts d’aériens (opérations complexes et coûteuses), limitant aussi l’impact environnemental

– Analyse (focus sur les bandes 2,6 et 3,5 GHz) permettant d’estimer, sur l’ensemble des ressources spectrales (GSM, UMTS, LTE) et avec les dernières performance LTE/WiMax, une capacité offerte par habitant (France) de 100 (rural) à 500 kbps (urbain) jugée suffisante

• Définition des éléments techniques à considérer – Contraintes topologiques/réseau (tailles de mailles, limite de capacité du

capillaire, contraintes sur la signalisation ORMAC, le C/I, le RSB)

– Contraintes de coûts sur la solution retenue, en particulier OPEX/client

– Focus sur 2010-2015 des évolutions technologiques impactées par ORMAC, en particulier HSPA+, SoA LTE/Advanced WiMax

– Focus sur modulation, forme d’onde et codage canal et définition des scénarios ORMAC à tester en priorité

SP2: Sondage de canal (1/2)

• Définition des scénarios de sondage – Fréquences 2,6 et 3,5 GHz, bande 5/10 MHz, sites macro urbain/sub-urbain,

environnement extérieur/intérieur, mobilité véhicule/piéton

• Réalisation des campagnes de mesure (2008) – Sub-urbain : Colombes

– Urbain : Paris



• Analyse des acquisitions (2009) – Extraction des grandeurs caractéristiques du canal (modèles statistiques):

diversités exploitables

• Evanouissements lents: path loss, shadowing

• Evanouissements rapides: nombre de trajets, étalement temporel/bande de cohérence, durée de cohérence/étalement Doppler, facteur de Rice

• Corrélation spatiale (MIMO)

• Comparaison avec la littérature (IST WINNER I et II)

– Modèle de canal pour les simulations du SP3 : Modèle de Kronecker :

L : Path loss

g : facteur de shadowing

K : facteur de Rice

u : vecteur directionnel

Rt : matrice de corrélation spatiale Tx

Rr : matrice de corrélation spatiale Rx

Hiid: matrice iid

2/12/1)(

1

1

1)( tiidrlos RfHR

KH

K

KLfH

g

Hlos uuH

0 100 200 300 400 500 600 700-10

-5

0

5

10

15

20

25

30KdB

d(m)

Rice

Colombes,

2,6 GHz

dBdB dKdK

BAd 2,0 N

SP2: Sondage de canal (2/2)

6,13A

008,0B

SP3: Etude des techniques d’accès

• Objectifs – Accroître la capacité d’un réseau multi-utilisateurs multi-cellules en tenant

compte explicitement des (voire exploitant) interférences

– Utiliser la diversité dans plusieurs directions possibles : temps, fréquence, espace /multi-utilisateurs

– Autorise la mise à l’échelle

• Respecter les contraintes de contrôle local par cellule (algorithmes distribués pour mise à l’échelle sur grand réseau)

• Limiter la signalisation intra et inter-cellules pour applicabilité

– Sélection de techniques pour les démonstrations

• Orientations – Approche 1: exploitation de la diversité multi-utilisateurs en présence

d’interférences (ETIS) : augmentation de la capacité, équité

– Approche 2: exploitation des diversités fréquence/temps (THALES)

– Approche 3: diversité MU-MC MIMO avec feedback réduit (EURECOM)

Allocation de ressources OFDMA (ETIS)(1/3)

• Contexte: OFDMA, allocation de bande et de modulation avec une connaissance limitée des canaux

– Cas mono-cellulaire


Nouvelle allocation équitable en débit = Maximisation du débit binaire commun

• avec une probabilité de coupure max. • connaissance du canal très limitée: distance masquée

[Alsawah, Fijalkow EURASIP JASP08]

• Contexte: OFDMA, allocation de bande et de modulation avec une connaissance limitée des canaux – Cas multi-cellulaire avec réutilisation fractionnelle de fréquence


Nouvelle allocation de station de base (BS), modulation, bande, équitable en débit = Maximisation du débit binaire commun

• avec une probabilité de coupure max. en TEB et en débit • connaissance du canal très limitée: distance masquée (g)

BS1 BS2

Reuse 1 Reuse 2 Reuse 2

(débit utilisateur commun)

Proba. de coupure max en débit

Proba. de coupure max en TEB

CSIT partiel = gain moyen du canal (shadowed pathloss)



• Contexte: OFDMA, allocation de bande et de modulation avec une connaissance limitée des canaux

– Cas multi-cellulaire avec réutilisation fractionnelle de fréquence

[Alsawah, Fijalkow - PIMRC'08]

BS1 BS2

Reuse 1 Reuse 2 Reuse 2


• Objectif: accroître la capacité des systèmes OFDMA cellulaires mono-antennaires en exploitant les diversités fréquentielle et temporelle des canaux radio mobiles

– Transmission d’une même information sur plusieurs bandes de fréquences, espacement supérieur à la bande de cohérence

– Etalement de chaque trame de données dans le domaine temporel

– Techniques de détection multi-utilisateurs en réception


Exploitation des diversités fréquentielle et

temporelle (THALES) (1/3)

F2 F1

F2

F1 F2 F1

U1,s1

2

1

2

1

2212

2111

2

1

n

n

s

s

z

zz

U1,s1

U2,s2

2

F1

F2 F2

F1 1

2

1

2

1

2

1

2

1

0

0

n

n

s

s

z

zz

Système OFDM/FDMA de référence Exploitation de la diversité fréquentielle

U2,s2

s1

s2 s1+s2

s1+s2

BS BS

F3

Voie montante:

ex. : 2 utilisateurs,

2 sous-bandes

Voie descendante:

ex. : 3 utilisateurs,

3 sous-bandes

12

11

21

22

U1

F1

F2

F3

U2

U3

s1+s2

s1+s3

s2+s3

F1 F2 F3

F1 F2 F3

F1 F2

BS

s1+s2

s1+s2

s1+s2

s1+s3

s1+s3

s1+s3

s2+s3

s2+s3

s2+s3

3

2

1

3

2

1

33

22

11

3

2

1

0

0

0

i

i

i

ii

ii

ii

i

i

i

n

n

n

s

s

s

z

z

z

11

31 21

12 22 32

13 23 33




• Simulations OFDMA multi-utilisateurs – Modèle de canal issu du sondage (Kronecker) LOS/NLOS

– OFDMA 10 MHz de bande, 4 blocs de 192 ss porteuses

– UL/DL

– Multiplexage de N utilisateurs sur chaque sous-bande

– Comparaison de différents schémas d’allocation.

• Ex: 2 utilisateurs, 2 sous-bandes

a) OFDMA (bloc) b) OFDMA (alterné)

Info U1

Red. U1

Info U2

Red. U2

c) Procédé (bloc)

Info U1

Red. U1

Info U2

Red. U2

d) Procédé (alterné)

h1

h2

h3

h4

Info U1

Red. U1 Red. U1

Info U1

Ex: 2 utilisateurs,

2 B.C/sous-bande

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2010

-4

10-3

10-2

10-1

100

Voie descendante - PER vs SNR

Paquets de 4992 bits

SNR[dB]

PE

R

allocation exclusive par bloc

procédé allocation par bloc

allocation exclusive alternée

procédé allocation alternée

Simulation PER vs SNR voie DL (12 MS) Colombes, NLOS, 4 BC/2.5 MHz, paquets de 624 octets,




log10(BER)

a. OFDMA (bloc)

20,3

21,3

7,3

9,9

10,1

16,6 9,9

11,9

2,6

7,8

12,7

-0,1

4 dB c. Procédé alterné, Gc/b, PER

77%

84%

-64%

-22%

-10,2%

78% -26%

26%

-2%

-58%

45%

0%

dBRSBpour

G PERbc

9,11

0,/

b. OFDMA alterné, Gb/a, PER

99,9%

99,9%

99,3%

61,5%

34%

53% 58%

46%

-7%

34,5%

42%

0%

dBRSBpour

G PERab

4

0,/

Y

XYPERYX

PER

PERPERG

100*,/

b

c

c b

b

c

a

c

b

a

c

b

Schéma adaptatif


Reduction du feedback pour le MU-MIMO (EUR)

• Connaissance du canal au transmetteur essentielle en MU-MIMO

• Proposition: Feedback « adaptatif » – Chaque UE détermine le niveau de quantification de son

feedback sur la base de:

• Qualité de canal (métrique SINR)

• Probabilité d’être choisi par le scheduler (préalab. estimée)

– Le UE i optimise le nombre de bits de feedback bi(t):

• Pour maximiser le débit en downlink

• Sous contraintes d’un feedback moyen E(bi(t)=B) fixe.

• Algorithme de type « waterfilling » est dérivé, avec existence d’un seuil minimum de qualité de canal


• Resultat clés: – Le UE avec un canal downlink très atténué quantifie grossièrement

son canal avant feedback, voire reste silencieux.

– Le UE en position de contribuer substantiellement au débit cellule quantifie finement son canal avant feedback.

Channel energy (t)

Time t

Time t

Feedback bits b((t))

0

B Quantificateur adaptatif avec 4 bits donne meilleur

débit que feedback uniforme avec 6bits!

Reduction du feedback pour le MU-MIMO (EUR)


Une technique de Beamforming distribué pour le

MIMO multi-cellulaire (EUR)

• Deux stations de base coopèrent en mode MU-MIMO (partage du trafic UE en downlink) – Connaissance locale seulement du canal: Tx j connaît canal

depuis lui-même vers tous les UE k, hjk.

– Objectif: Développer les vecteurs de beamforming wjk au Tx j.

kjkj

jk

wjk

wh

whw

22

2

maxarg

Idée clef: Maximiser le rapport

énergie transmise sur interférence

générée pour chaque “couche” de

symbole (Layered Virtual SINR)

Où wjk est le beamformer servant

le RX k depuis le TX j


Une technique de Beamforming distribue pour le

MIMO multi-cellulaire L-VSINR (EUR)

• Comparaison (pour Nt=2 et 4 antennes) avec – Technique MIMO multicellulaire centralisée (Joint ZF)

– Technique de coordination de beamforming: Chaque TX sert un unique RX (VSINR)

La technique LVSINR

atteint presque la

performance en mode

centralisé


Cooperation hybride pour le MIMO multi-

cellulaire (EUR)

• Idées nouvelles: – Coopération MIMO nécessite de « multicaster » le trafic UE vers plusieurs cellules

– Cela se justifie seulement si la capacité en « backhaul » le permet et les interférences inter-cellulaires sont fortes.

– Il existe donc un compromis entre gain de coopération et cout de multicasting.

– Proposition: Partage le débit trafic entre débit multicast et débit unicast (route vers station de base mère).


• Résultats: – Nouvel algorithme d’optimisation trouvant

• Facteur de partage de trafic optimal pour chaque stations de base

• Vecteurs de beamforming.

Region des débits (R1, R2) pour 2

mobiles: (Capacité du backhaul:

7Bits/sec/Hz)

->Coopération hybride améliore débits

par rapport à:

-Coopération MIMO complète

(Network MIMO)

-Pas de cooperation (Interference

Channel “IC”)

Coopération hybride pour le MIMO multi-

cellulaire (EUR)

• Objectif: démontrer les gains atteignables (capacité, gestion des interférences) par des techniques étudiées au SP3

• Travail réalisé:

• Choix des techniques à démontrer (SP3): coopération de stations de base / réduction de feedback

• Définition des scénarios de démonstration

• Définition des évolutions à réaliser dans le démonstrateur: matérielles (voie de retour)/logicielles

• Transcription des algorithmes EURECOM en C

• Intégration des nouveaux traitements dans le démonstrateur

• Réalisation des démonstrations

SP4: Démonstration

PC Émission Carte ICS564

Voie 1

Voie 2

Transpo 1

BTS 2

BTS 1

f0 (3,5 GHz)

f0 (3,5 GHz)

Lien de retour filaire (feedback)

Transpo 1 Ampli 2

Ampli 1 Transpo. WiMAX

PC Réception Carte ICS554

Récepteur 30MHz-3 GHz

MS 2

MS 1


SP4: Scénarios de démonstration

Scénario 1: transmission limitée par les interférences

100m

BTS 1 BTS 2 Terrasse

d’immeuble

Antenne

panneau Antenne

panneau

PC Réception

Récepteur RF +

transposeur WiMAX

Sol

Antennes

omnidirectionnelles

M1 M2

Espacement ~10m

Valise

d’émission

PC Emission

Ampli 1

Transpo 1

Ampli 2

Transpo 2

1F 2F

100m

BTS 1 BTS 2

Antenne

panneau Antenne

panneau

PC Réception

Récepteur RF +

transposeur WiMAX

Sol

Antennes

omnidirectionnelles

M1 M2

Espacement ~10m

Valise

d’émission

PC Emission

Ampli 1

Transpo 1

Ampli 2

Transpo 2

221111 .FW.FW

222112 .FW.FW

Terrasse

d’immeuble

Voie de

retour

Scénario 2: Coopération MIMO multi-BTS avec multiplexage d’utilisateurs Scénario 3: Réjection d’interférences

100m

BTS 1 BTS 2 Terrasse

d’immeuble

Antenne

panneau Antenne

panneau

PC Réception

Récepteur RF +

transposeur WiMAX

Sol

Antennes

omnidirectionnelles

M1

(MIMO)

Espacement ~/2

Valise

d’émission

PC Emission

Ampli 1

Transpo 1

Ampli 2

Transpo 2

1F 2F

100m

BTS 1 BTS 2

Antenne

panneau Antenne

panneau

Récepteur RF +

transposeur WiMAX

Sol

Antennes

omnidirectionnelles

Espacement ~/2

Valise

d’émission

PC Emission

Ampli 1

Transpo 1

Ampli 2

Transpo 2

221111 .FW.FW

222112 .FW.FW

Terrasse

d’immeuble

Voie de

retour

PC Réception

M1

(MIMO)

Scénario 4: Coopération MIMO multi-BTS avec multiplexage de flux


SP4: Démonstrateur: traitements

• Précodage sans quantification

– Objectif 1: réduction des interférences

• Comparaison des performances TEB=f(RSB) scénarios 1, 2 et 3

• Canal simulé: Colombes/Paris, mobilité véhicule/piéton

• Conclusion : la coopération de stations de base donne de moins bons résultats que la réjection d’interférences en réception.

• Explication: retard entre le moment où le canal est estimé et celui où il est utilisé. Rythme d’estimation de canal insuffisant % durée de cohérence du canal (1,3/10 ms).

– Objectif 2: augmentation du débit

• Comparaison des performances débit utile=f(RSB) scénarios 3 et 4

• Canal simulé: Colombes, mobilité véhicule

• Conclusion: la coopération de stations de base donne de moins bons résultats à faible RSB, pour une complexité accrue.

• Explication: traitement en réception identique mais pré-compensation à l’émission par le canal mesuré à la trame précédente : effet négatif.

• Effet de la quantification • Performances TEB=f(RSB) scénario 2 pour différentes hypothèses de quantification

• Conclusions: dégradation sensible de performances observée (-> 8 bits)

• Explication: quantification individuelle par sous-porteuse. Algorithme à revoir (piste: quantification vectorielle du spectre dans le domaine temporel)


SP4: Démonstrations

• ETIS/CNRS: Allocation de ressources OFDMA (6 publications/1 en revue) – Preuve de l'efficacité du gain masqué comme CSI et feedback limité →proposition d'allocation de

bande et modulation OFDMA avec réutilisation de fréquence.

• ETSA: Appréhension des difficultés terrain, approfondissement des connaissances en conception RF

– Réalisation d’amplificateurs de puissance très linéaires/de fréquences supérieures au GHz et de «transposeurs » multi-voies.

• EURECOM: études coopération MIMO multi-cellulaire (8 publications/2 en revue) – Mise en évidence du compromis gain de coopération MIMO multi-cellulaire/coût du feedback. Trois

techniques proposées pour optimiser ce compromis: réduction du volume de feedback, beamforming distribué, minimisation de la quantité d’information dupliquées entre stations de base coopérantes.

• SFR: Meilleure connaissance des impacts MIMO multi-cellulaire – Gains potentiels dans le dimensionnement et la capacité radio et meilleur caractérisation des

contraintes liées à la coopération entre stations dans le capillaire (MIMO, 4G). Approfondissement des perspectives radio dans les bandes de 2,6 et 3,5 GHz.

• THALES: connaissance du canal radio-mobile, études MIMO mono-antennaire, démonstration de coopération de stations de base

– Exploration des bandes de fréquences WiMAX 3,5 GHz et 2,6 GHz en urbain/sub-urbain: résultats de sondage venant compléter les campagnes de mesures WINNER. Mise en évidence de la possibilité d’exploiter les diversités fréquentielle, temporelle, de polarisation et spatiale.

– Exploitation des diversités fréquentielle/temporelle pour accroître les débits

– Performances de la coopération de stations de base en environnement opérationnel


Résultats majeurs / Progrès par partenaire

• Le projet ORMAC a permis – D’acquérir une connaissance des futurs besoins des utilisateurs et opérateurs

– D’acquérir une connaissance approfondie du canal de propagation dans les bandes cibles de la 4G.

– D’étudier des techniques innovantes permettant d’accroitre la capacité des futurs réseaux 4G: allocation de ressources/exploitation des diversités fréquentielle, temporelle et spatiale du canal radio-mobile

– De proposer une démonstration de concept de certaines techniques étudiées.

• Axes d’études complémentaires – Améliorer les algorithmes de coopération de station de base:

• Prédiction du canal pour compenser le décalage estimation/utilisation

• Algorithme de quantification vectoriel du canal dans le domaine temporel

• Méthodes non linéaires plus performantes que le précodage ZF classique (dirty paper coding)

• Passage à l’échelle sur des grands réseaux denses avec de nombreuses stations de base coopérantes.


Conclusion/perspectives

Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et services »

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