Réseaux 4 éme Génération

Réseaux 4 éme Génération

Sous la direction de Guy Pujolle LTE et les reseaux Yannick Bouguen Éric Hardouin François-Xavier Wolff Préface d’Alain Maloberti @ Groupe Eyrolles, 2012, L’interface radio du L Sommaire : Rappels définis pour le systè ISBN : 978-2-212-12990-8 orsg Sni* to View odes de duplexage (FDD et TDD)- ‘architecture de l’interface radio – Les canaux logiques, de transport et physiques – Structure de trame et dimension fréquentielle – Caractéristiques clés de l’interface radio – Introduction aux traitements d’émission et de réception Figure 3-1 Ce chapitre décrit les principes de l’interface radio du système L TE t fournit au lecteur les connaissances nécessaires à la compréhension de son fonctionnement. L’interface radio assure le rôle clé de transférer par la voie des airs les données issues de la couche IP associées au service demandé par l’utilisateur. Ce transfert doit respecter des exigences présente ensuite les modes de duplexage définis pour le 60 L TE et les réseaux 4G système L TE. La section « Carchitecture de l’interface radio » (p. 78) décrit l’architecture de l’interface radio, qui organise le transfert des données selon une structure en couches ayant chacune un rôle précis.

Les couches communiquent entre elles via des canaux, dont les caractéristiques sont adaptées

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au type des données véhiculées et à la façon dont elles sont transportées. Les différents types de canaux sont présentés à la section « Les canaux » (p. 85). Les sections « Structure de trame de l’interface radio » (p. 91) et « La dimension fréquentielle en L TE » (p. 94) décrivent respectivement la structure de trame de l’interface radio et sa dimension fréquentielle, puis la section « Les caractéristiques clés de la couche physique » (p. 96) présente succinctement les caractéristiques clés de la couche physique. Enfin, les sectlons « Introduction aux traitements d’émission et de réception » (p. 96) et « Synthèse fonctionnelle » (p. 7) fournissent une vue d’ensemble respectivement des traitements mis en œuvre en émission et réception pour la transmission de données, et des fonctions assurées par les protocoles spécifiés pour VIJE. Rappels sur le canal radio En communications, le canal de transmission représente toutes les transformations subies par le signal entre l’émetteur et le récepteur, de par sa propagation dans le milieu de transmission, ainsi que dans les équipements d’émission et de réception. Le canal de transmission détermine la PAGF OF sg données doivent être mises en forme a l’émetteur afin de se propager dans de bonnes conditions dans le milieu, ainsi que les traitements ? mettre en œuvre au récepteur afin de les détecter correctement.

Le canal de transmission est donc dune importance clé, car il détermine une grande partie de la conception d’un système de communication. Mécanismes de propagation Dans le cas des communications radio mobiles, le signal est porté par une onde électromagnétique qui se propage dans l’alr. La puissance reçue au récepteur dépend e plusieurs effets. • Les pertes de propagation (path loss, en anglais) traduisent l’atténuation du signal en fonction de la distance entre l’émetteur et le récepteur, et de l’environnement de propagation. Dans l’espace libre (c’est-à-dire lorsque l’onde ne rencontre aucun objet), les pertes de propagation varient comme le carré de la distance entre émetteur et récepteur.

Des atténuatlons supplémentaires viennent s’ajouter du fait des obstacles dans le milieu, qui engendrent des réflexions, diffractions, diffusions et absorptions de l’onde. En particulier, la traversée de murs donne lieu à des ertes additionnelles dites de pénétration. Pour un environnement donné, les pertes de propagation ne dépendent que de la distance d entre émetteur et récepteur, typiquement selon une loi du type suivant, où A et B sont des constantes dépendant de l’environnement : • L’effet de masque (ou shadowing) est une atténuation supplémentaire qui se produit lorsqu’un objet de grande taille (par exemple une tour) s’interpose entre l’émetteur et le récepteur. tour) s’interpose entre rémetteur et le récepteur.

L’effet de masque varie donc en fonction des déplacements de l’UE, mais ette variation est lente si on la rapporte à la durée d’un intervalle de temps de transmission (qui dure une milliseconde en L TE). L’interface radio du L TE CHAPITRE 3 61 • Les évanouissements rapides (fast fading) désignent des variations rapides de la puissance instantanée reçue, autour de la puissance moyenne. Ces variations proviennent du déplacement relatif de l’UE et des objets dans son environnement, comme nous le verrons plus loin. Les évanouissements profonds peuvent entraîner des pertes de puissance reçue de 35 dB en milieu urbain Oakes, 1994]. Néanmoins, ces variations peuvent aussi ugmenter la puissance reçue de quelques décibels. our un trajet de propagation dit distinguable (voir plus loin), deux évanouissements sont typiquement séparés dune demi-longueur d’onde (soit 7,5 cm pour une fréquence porteuse de 2 GHz), d’où leur qualificatif de rapides. Ainsi, la puissance reçue peut varier de plusieurs décibels sur quelques millisecondes si la vitesse de l’UE est suffisante. Contrairement aux évanouissements rapides, les pertes de propagation et l’effet de masque affectent la puissance moyenne du Slgnal et sont relativement invarlants sur une distance ou durée faible. La figure 3-2 résume l’effet de ces différents mécanismes sur la puissance de signal reçue.

On voit que la puissance décroît ré ulièrement à mesure que l’UE s’éloigne de l’eNodeB, du f La puissance chute ensuite brusquement lorsque le signal est masqué par la tour (étape 3), avant de remonter lorsque l’UE s’en dégage. Les variations de puissance instantanée dues aux évanouissements rapides sont également représentées sur un horizon bref. Elles affectent bien entendu le signal sur toute la durée du parcours de l’UE La figure 3-3 matérialise le chemin emprunté par le signal pour ne position particulière de l’UE. Le signal est reçu via plusieurs trajets du canal, chaque trajet suivant un chemin particulier en fonction des réflexions, réfractions et diffusions sur les obstacles rencontrés par l’onde. La flgure représente trois trajets principaux, dits distinguables car ils peuvent être isolés les uns des autres par le récepteur.

En réalité, les retards des trajets ne sont pas aussi bien marqués dans le temps, mais sont distribués autour de valeurs moyennes. Cependant, il est toujours possible de modéliser le canal comme un ensemble fini de trajets distinguables dans le domaine emporel après échantillonnage du signal [Proakis, 2000]. Chaque trajet distinguable est associé à un retard et/ou un angle d’arrivée moyen particulier, qui le différencie des autres dans le domaine temporel et/ou le domaine spatial, respectivement. En outre, chaque trajet distinguable est associé ? une certaine puissance moyenne, qui dépend du chemin parcouru et des interactions que l’onde a subies avec l’environnement. ? ce titre, les trajets correspondant à une vue directe entre l’émetteur et le récepteur, ou Line of Sight (LOS), sont reçus avec une puissance nettement supérieure ? elle des trajets reçus via des réflexions, diffractions ou dif PAGF s OF sg puissance nettement supérieure à celle des trajets reçus via des réflexions, diffractions ou diffusions (dits Non Line of Sight, NLOS). Chaque trajet distinguable est la somme d’un ensemble de rayons réfléchis, diffractés ou diffusés sur une même zone d’un obstacle donné. Notons que seuls les rayons extrêmes de chaque trajet sont représentés sur la figure 3-3. Chaque rayon possède un retard et un angle d’arrivée qui lui sont propres, proches de ceux du trajet distinguable mais avec lesquels la différence est trop faible pour ouvoir les séparer.

Les rayons sont à Porigine du phénomène d’évanouissements rapides, que nous décrivons à la section suivante, tandis que les retards différents des trajets distinguables créent les phénomènes d’interférence entre symboles et de sélectivité en fréquence, décrits à la section « Interférence entre symboles et sélectivité en fréquence » (p. 65). Enfin, la dimension angulaire des trajets fait l’objet de la section « Aspects spatiaux » (p. 66). 62 Figure 3-211 Évolution de la puissance reçue Cl en fonction du déplacement Cl dans l’environnement 63 OF sg le composent. Ces dernières peuvent s’additionner en phase pour donner des évanouissements constructifs, on parle alors de combinaison cohérente, ou en opposition de phase pour donner alors des évanouissements destructifs. La notion de combinaison cohérente est importante en communications numériques et est rappelée à la page suivante.

La phase de chaque rayon évolue à une vitesse spécifique, fonction de l’angle d’arrivée du rayon avec la direction de déplacement du récepteur suivant l’effet Doppler. Lorsque l’UE ou les objets dans son environnement se déplacent, la combinaison des phases varie rapidement pour donner le phénomene es évanouissements rapides, alternativement constructifs et destructifs. On peut ainsi voir l’UE comme se déplaçant dans un motif spatial d’évanouissements constructifs et destructifs. Puisque les phases et angles d’arrivée des rayons d’un trajet distinguable sont indépendants de celles d’un autre trajet, les évanouissements rapides affectant deux trajets distinguables sont indépendants. On définit le temps de cohérence du canal comme la durée pendant laquelle il reste sensiblement invariant.

Cette indépendance des trajets est exploitée pour réduire les effets négatifs des évanouissements apides, via ce qu’on appelle la diversité. La diversité est un concept général en communications 64 numériques, qui traduit le fait qu’un même bit d’information fait l’expérience de plusieurs réalisations indépendantes du canal au cours de sa transmission. RAPPEL La notion de com ente PAGF 7 OF sg ondes de même fréquence sont combinées de manière cohérente si elles sont additionnées en phase. Prenons l’exemple de deux sinusoïdes de même amplitude comme sur la figure ci-dessous : les addltionner en phase maximise la puissance du signal résultant, tandis que les additionner en opposition de phase annule le signal résultant.

Figure 3-40 Combinaison de deux sinusoïdes en phase (haut) et en opposition de phase (bas) L’ordre de diversité désigne le nombre de réalisations indépendantes du canal. Plus cet ordre est élevé, plus la probabilité est faible que toutes les réalisations soient affectées par un évanouissement profond, ce qui augmente les chances d’avoir au moins une version du bit reçu qui permette de le détecter convenablement. Ainsi, l’augmentation de l’ordre de diversité améliore la robustesse de la transmission. Dans le domaine temporel, la diversité s’obtient par la réception du signal via des trajets du canal ffectés de manière indépendante par les évanouissements rapides, ou encore par des retransmissions.

On distingue aussi la diversité spatiale, obtenue via plusieurs antennes (décorrélées) d’émission et/ou de réception. Enfin, la diversité en fréquence consiste ? transmettre un bit d’information sur différentes parties de la bande de fréquence, par exemple via le codage de canal, afin de réduire les effets de la sélectivité en fréquence introduite à la section suivante. BOF sg reçus différemment atténués et retardés, ce qui crée un phénomène d’écho. Si les trajets sont de puissance imilaire, et/ou s’ils sont en grand nombre, ils créent une interférence dommageable pour les performances de la transmission, appelée interférence entre symboles (l ES).

En effet, si des symboles de modulation sont émis sur le canal au rythme de un symbole toutes les T secondes, et si les retards des trajets sont non négligeables devant T, les symboles reçus sur un trajet seront interférés par ceux qui suivent ou qui précèdent, reçus via les autres trajets. En revanche, si la durée des symboles est grande devant le retard entre le premier trajet reçu et le dernier trajet d’énergie significative, l’IES era quasi-inexistante_ Cette différence de retards, aussi appelée dispersion des retards ou delay spread, caractérise la capacité du canal à provoquer de l’IES et donc sa difficulté pour des communications.

Le phénomène d’écho dans le domaine temporel se traduit dans le domaine fréquentiel par une sélectivité en fréquence : certaines fréquences du signal sont plus atténuées que d’autres, comme illustré sur la figure 3-3. La bande de cohérence est définie comme la largeur de bande sur laquelle la réponse en fréquence du canal peut être considérée comme constante. Figure 3-50 Principe de l’égaliseur ZF L’IES et la sélectivité en fréquence introduisent ainsi une distorsion sur le signal reçu, qu’il est nécessaire de compenser afin de détecter correctement le signal émis. Cette correction est égalisation, car elle vise a restaurer un canal équivalent plat en fréquence, ou, de manière équivalente monotrajet dans le domaine temporel. En effet, un trajet unique ne modifie pas les propriétés spectrales du signal.

Notons que l’égalisation assure également la compensation de la phase introduite par le canal lorsque l’information est portée par la phase bsolue de la porteuse (on parle alors de démodulation cohérente). L’égalisation est typiquement mise en œuvre au moyen d’un filtre appelé égaliseur. Plus la dispersion des retards du canal est importante et plus le filtre devra avoir une réponse impulsionnelle longue, donc plus il sera complexe s’il est réalisé dans le domaine temporel. Dans le cas d’un canal sans bruit, l’égaliseur optimal selon le critère de la compensation de la sélectivité en fréquence inverse simplement la réponse en fréquence du canal comme illustré à la figure 3-5.

On dit alors que l’égaliseur réalise un forçage ? éro de FIES (Zero Forcing, abrégé en ZF), car dans le domaine temporel il supprime les échos du Slgnal. En présence de bruit et/ou d’interférence, le forçage ? zéro peut cependant conduire à amplifier significativement la puissance du bruit et de l’interférence, et à ainsi masquer les bénéfices de la compensation de la sélectivité en fréquence. On emploie donc généralement plutôt un critère de conception de l’égaliseur appelé la minimisation de l’erreur quadratique moyenne (Minimum Mean 66 Square Error, MMSE), qui réalise un compromis entre la compensation de la sélect