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

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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.

17

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

19

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

28

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

30

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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