-1-

UMTSUMTS

Plan Introduction Services Fréquences Passage à l’UMTS Interface UTRA W-CDMA

-2-

Le monde des mobilesLe monde des mobiles

WORLD MOBILE

SUBSCRIBERS

0'

500'

1000'

1500'

2000'

2500'

1995 2000 2005 2010 2015

REST OF

WORLDASIA

PACIFICNORTH AMERICA

EU15

(SOURCE: UMTS FORUM)

MILLIONS OF

SUBSCRIBERS

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VISION IMT2000VISION IMT2000

I M T - 2 0 0 0 T h e I T U v i s i o n o f g l o b a l w i r e l e s s a c c e s s

i n t h e 2 1 s t c e n t u r y

S a t e l l i t e

M a c r o c e l lM i c r o c e l l

U r b a nI n - B u i l d i n g

P i c o c e l l

G l o b a l

S u b u r b a n

B a s i c T e r m i n a lP D A T e r m i n a l

A u d i o / V i s u a l T e r m i n a l

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UMTSUMTS

198x : concept de l’UMTS, projet RACE 199x : ACTS ; FRAMES & RAINBOW A l’échelle internationale : IMT2000 (UIT) Concept GMN (Global Multimédia Mobility)

Dualité entre réseau d’accès et réseau de transport Spécification d’une interface entre ces 2 réseaux UMTS : UTRA pour l’accès radio Dans un deuxième temps, spécification d’un réseau de transport pour

l’UMTS

GSMDECTISDN

B-ISDNUTRA

GSMISDN

B-ISDNTCP/IPUMTS

Réseau d’accès Réseau de transport

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UMTSUMTS

Services multimédias : pour la mobilité (comme B-ISDN) IP et mode paquet : 384kb/s avec une mobilité complète et 2Mb/s

pour une mobilité limitée Convergence des technologies radio Caractéristiques de l’UMTS

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3GPP3GPP

Japon : ARIB, TTC CHINE : CWTS Corée : TTA Europe : ETSI USA : T1

WG1 : couche 1 WG2 : couches 2 et 3 WG3 : interfaces et O&M WG4 : Paramètres AHG1 : ad-hoc

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UMTSUMTS

Fréquences autour de 2GHz : bande de 230MHz

Bandes appairées (120MHz) : 1920-1980 et 2110-2170 FDD/W-CDMA

Bandes non appairées (50MHz) : TDD/TD-CDMA Satellites (MSS) : 60 MHz

-8-

UMTS/IMT2000UMTS/IMT2000

-9-

UMTSUMTS

Evolution du GSM vers UMTS/IMT2000 Radio

réutilisation de la bande existante création de nouvelles bandes de fréquence

Réseau intégration du mode paquet et de IP

Au niveau mondial Europe : W-CDMA, EDGE, IP dans GSM Japon : W-CDMA, intégration d’IP USA : EDGE, intégration d’IP

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ArchitectureArchitecture

UserEquipment UTRAN Core

NetworkUu Iu

-11-

ArchitectureArchitecture

RNS

RNC

RNS

RNC

CN

Node B Node B Node B Node B

IuCS IuPS

Iur

Iubis

USIM

ME

MS

Cu

Uu

MSCSGSN

Gs

GGSNGMSC

GnHLR

Gr

GcC

D

E

AuCH

EIR

F Gf

GiPSTN

IuCSIuPS

VLRB

Gp

VLRG

BSC

BTSBTS

Um

A

BSC

BTSBTS

Gb

Abis Abis

Um

BSSBSS

SIM

SIM-ME i/f or

MSC

B

PSTN

Iubis

PSTN

-12-

UTRAUTRA

FDD W-CDMA

UP

DOWN

10ms

.

.

.

-13-

UTRAUTRA

TDD TD-CDMA

-14-

UTRAUTRA

UMTS Terrestrial RAdio interfaceCritère de

comparaisonMode FDD W-

CDMA Mode TDD TD/CDMADéploiement et couverture grandes cellules petites cellulesServices supportés

services symétriques

mode paquet, asymétrique

Contrôle de puissance contrôle rapide contrôle lentTransfert intercellulaire soft handoff handoff normalComplexité du terminal

débit chip - multipath

nombre de codes - multipath

Synchronisation entre stations de base

pas de synchronisation synchronisation

Planification

en fonction du trafic - pas de plan de fréquence

plan de fréquence - ne varie pas en fonction du trafic

•W-CDMA en FDD pour les bandes appairées

•TD-CDMA en TDD pour les bandes non appairées

-15-

UTRAUTRA

Accès multiple DS-CDMA TDMA et CDMADuplex FDD TDDDébit chip 3,84 Mchip/s 3,84 Mchip/s

Durée de trame 10 ms10ms (16 IT par trame)

Débit variable

facteur d'étalement variable et multicode

multi IT et multicode

Codageconvolutionnel (1/2 -1/3) convolutionnel

-16-

W-CDMAW-CDMA

pas de plan de fréquence ni de réutilisation niveau de puissance dépend du service transfert de paquets sur canaux dédiés ou communs

-17-

W-CDMAW-CDMA

Flexibilité (opérateur) Pas de synchronisation entre les BSs (GPS)

moins cher, surtout pour les environnements indoor Handoff inter-fréquence est prévu Mode TDD : allocation dynamique

-18-

W-CDMAW-CDMA

Canaux Logiques Transport CHannels :

Broadcast CHannel (BCH) Forward Access CHannel (FACH) Paging CHannel (PCH) Random Access CHannel (RACH) Common Packet CHannel (CPCH) Downlink Shared CHannel (DSCH) Dedicated CHannel (DCH)

-19-

W-CDMAW-CDMA

Canaux logiques - canaux physiquesTransport Channels

DCH

RACH

CPCH

BCH

FACH

PCH

DSCH

Physical Channels

Dedicated Physical Data Channel (DPDCH)

Dedicated Physical Control Channel (DPCCH)

Physical Random Access Channel (PRACH)

Physical Common Packet Channel (PCPCH)

Common Pilot Channel (CPICH)

Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCH)

Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH)

Synchronisation Channel (SCH)

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)

Acquisition Indication Channel (AICH)

Page Indication Channel (PICH)

-20-

W-CDMA, DownlinkW-CDMA, Downlink

One radio frame, Tf = 10 ms

TPC NTPC bits

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..7)

Data2Ndata2 bits

DPDCH

TFCI NTFCI bits

Pilot Npilot bits

Data1Ndata1 bits

DPDCH DPCCH DPCCH

SF = 256/2k SF = 4..256TPC = Transmit Power ControlTFCI = Transport Format Combination Indicator (Rate Information)

-21-

W-CDMA, DownlinkW-CDMA, Downlink

Débit 15-1920kb/s (10-1280 bits par slot) plusieurs connexions pour plus de débit (master-slave)

Etalement et modulation Modulation QPSK : un état = 2 bits Channelization code cch

Cell specific scrambling code cscramb

512 codes de type : cscramb

64 groupes de 8 codes nombre de code : 218 -1=262143, 38400 chips (10 ms)

S -> PDPDCH/DPCCH

P(t)

P(t)

Cos(wt)

Sin(wt)

I

Q

cch cscramb

-22-

W-CDMA, DownlinkW-CDMA, Downlink

Orthogonal Variable Spreading Factor

1,12,2 c

11,1 c

1,11,2 c

1,1,1,11,4 c

1,1,1,12,4 c

1,1,1,13,4 c

1,1,1,14,4 c

SF = 1 SF = 2 SF = 4

La longueur du code n’est pas fixeElle dépend du SF et du débit

-23-

W-CDMA, UplinkW-CDMA, Uplink

SF = 256/2k SF = 4..256TPC = Transmit Power ControlTFCI = Transport Format Combination Indicator (Rate Information)FBI = FeedBack Information

Pilot Npilot bits

TPC NTPC bits

DataNdata bits

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..6)

1 radio frame: Tf = 10 ms

DPDCH

DPCCHFBI

NFBI bitsTFCI

NTFCI bits

-24-

W-CDMA, UplinkW-CDMA, Uplink

Uplink : débit 15-960 kb/s (10-640 bits par slot), plusieurs DPDCH pour plus de débit

Deux canaux physiques différents pour le contrôle et les données Modulation QPSK : un état = 2 bits Channelization code cD et cC

Cell specific scrambling code cscramb

224 court et 224 long Les PDDCH supplémentaires seront transmis sur I ou Q cscramb court = cI + jcQ, cI et cQ sont de longueur 256

cscramb long 38400 chips (10 ms)

*j

P(t)

P(t)

cD

cC

I

Q

I+jQ

Cscramb

(long ou court)

Real

Imag

Cos(wt)

Sin(wt)

DPDCH

DPCCH

-25-

W-CDMAW-CDMA

Common Physical Channels même format que les canaux dédiés différence : taux fixe (pas de TFCI), pas d’indication pour le contrôle

de puissance deux types de canaux

primary CCPCH : envoyés à tout le monde (BCH) secondary CCPCH : FACH et PCH. Multiplexage temporel sur CCPCH pour envoyer les FACH et les

PCH. Les informations concernant les canaux secondaires pour le

partage entre FACH et PCH (nombre de trames) sont envoyées sur un BCH

différence entre primary et secondary CCPCH : le débit Fixe pour primary (30 kbps) dépend de la cellule

-26-

W-CDMAW-CDMA

Data18 bits

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips , 20 bits

1 radio frame: Tf = 10 ms

(Tx OFF)

256 chips

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips, 20*2k bits (k=0..6)

Pilot Npilot bits

DataNdata bits

1 radio frame: Tf = 10 ms

TFCI NTFCI bits

-27-

W-CDMAW-CDMA

Codage et multiplexage services parallèles codage et entrelacement pour chaque canal

et pour le groupe deux méthodes de multiplexage pour les

différents services Avantage Défaut

-28-

W-CDMAW-CDMA

Coding/interleaving

Coding/interleaving

Coding/interleaving

DPDCH#1

DPDCH#2

DPDCH#N

Par

alle

lse

rvic

e

...

TimeMUX

Outercoding/interl.

TimeMUX

Innercoding/interl.

TimeMUXP

aral

lel

serv

ice

DPDCH#1

DPDCH#2

DPDCH#N

...

-29-

W-CDMAW-CDMA

Rate matching (adaptation du débit) Adapter le débit à la capacité du support

physique Uplink

unequal repetition/code puncturing seuil = 20%

Downlink haut débit : unequal repetition/code puncturing faible débit : transmission discontinue (une partie

du slot sera occupée)

-30-

ExempleExemple

Trafic de 8 Kbps

Data (80 bits) CRC (8) Tail (8)

3*96 = 288 bits

Conv. Taux 1/3, Longueur = 9

288*10/9 = 320 bits

Unequal repetition (9/10)

32 Kbps DPDCH

-31-

ExempleExemple

Trafic de 144 Kbps

Data (1800 bits) Tail (8)

3*1808 = 5424 bits

Conv. Taux 1/3, Longueur = 9

5424*320/339 = 5120 bits

Code puncturing (339 -> 320)

512 Kbps DPDCH

Data (1440 bits)

RS, taux = 180/225

-32-

ExempleExemple

Trafic de 480 Kbps

Data (300 bits) Tail (8)

16*2*320 = 5424 bits

Conv. Taux 1/2, Longueur = 9

1024 Kbps DPDCH

CRC + SN (12 bits) 16 blocks par trame

Trafic de 2.4 MbpsData (300 bits) Tail (8)

80*2*320 = 51200 bits

Conv. Taux 1/2, Longueur = 9

5*1024 Kbps DPDCH

CRC + SN (12 bits) 80 blocks par trame

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W-CDMAW-CDMA

Accès aléatoire : slotted aloha Préambule : il existe 16 signatures

chaque signature contient 16 symboles code 256 chips le choix de la signature est aléatoire

Corps du message : contrôle et données Pilot + TFCI (débit du message « données ») le choix du code est identique à celui des canaux dédiés

en uplink

P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15

Preamble

256 chips

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RACHRACH

#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14

5120 chips

radio frame: 10 ms radio frame: 10 ms

Access slot #0 Random Access Transmission

Access slot #1

Access slot #7

Access slot #14

Random Access Transmission

Random Access Transmission

Random Access TransmissionAccess slot #8

Message partPreamble

4096 chips10 ms (one radio frame)

Preamble Preamble

Message partPreamble

4096 chips 20 ms (two radio frames)

Preamble Preamble

-35-

W-CDMAW-CDMA

Pilot Npilot bits

DataNdata bits

Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14

Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..3)

Message part radio frame TRACH = 10 ms

Data

ControlTFCI

NTFCI bits

4096 chips

P0

P1Pj Pj

Collision ResolutionPreamble

Access Preamble DPCCH

DPDCH

0 or 8 slots N*10 msec

Message Part

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W-CDMAW-CDMA

Avant l’accès aléatoire, le mobile doit : se synchroniser avec la BS (trame et slot) connaître les codes disponibles pour le préambule et le message

(BCH) connaître les signatures et les slots disponibles Paramètres de puissance du signal estimer le “path loss”, le niveau d’interférence sur le uplink et le seuil

C/I (BCH) Fonctionnement :

le mobile sélectionne les codes et le facteur d’étalement (débit) le mobile sélectionne la signature et le slot le mobile envoie le préambule et attend le retour le mobile envoie le burst et attend l’acquittement sur un FACH

-37-

W-CDMAW-CDMA

Allocation des codes Downlink

code canal BCH : même code pour tout le système Secondary CCPCH : diffusé sur BCH dans chaque cellule Canaux dédiés : le réseau détermine le code ; il est envoyé sur le

message “Access grant” (le code peut changer pendant la connexion. Le changement est négocié sur un DCCH

code BS (scrambling code) il est attribué au moment du déploiement du réseau la station mobile obtient ce code par la procédure de recherche de

cellule

-38-

W-CDMAW-CDMA

Allocation des codes Uplink

code canal un code par DPDCH

code BS (scrambling code) primaire

il est attribué au moment du déploiement du réseau

il est envoyé sur le message “Access grant” secondaire

idem

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W-CDMAW-CDMA

Contrôle de puissance Closed-loop

Uplink et downlink Baisser ou augmenter la puissance par étape

Outer loop Uplink et downlink Pour déterminer la valeur de l’étape du “closed-loop”

Open loop Uplink seulement Pour ajuster la puissance sur l’accès aléatoire Estimer le “path loss”, niveau d’interférence sur le uplink (BCH)

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W-CDMAW-CDMA

Synchronisation : non prévue Recherche de cellules :

Primary Synchronisation Channel ; 256 chips ; le même pour toutes les BS Secondary synchronisation Channel ; 256 chips ; 64 groupes de 15 codes

PrimarySCH

SecondarySCH

256 chips

2560 chips

One 10 ms SCH radio frame

acsi,0

acp

acsi,1

acp

acsi,14

acp

Slot #0 Slot #1 Slot #14

i est le numéro du Scrambling Group1..64

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W-CDMAW-CDMA

3 étapes : Synchronisation avec les slots Synchronisation avec la trame et identification du groupe de

code Identifier le code de la BS : cscramb

Tslot

BSiBSj

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W-CDMAW-CDMA

Recherche de cellules 2) Corrélation du Secondary SCH reçu avec tous les SSCH

possibles PSCH nous sert de repère pour le temps et la phase On obtient 16 valeurs Corrélation des valeurs avec toutes les séquences On choisit les pairs qui donne la valeur maximale Par conséquent ; le groupe est identifié ainsi que la synchronisation

avec la trame

2) Corrélation du CPICH avec les “scrambling code” du groupe Identification du cscramb

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W-CDMAW-CDMA

Soft handover Active set : recherche de nouvelles cellules Le mobile reçoit une liste du réseau qui donne

l’ordre de recherche des codes des BS ; la liste est régulièrement changée

Le mobile teste les BCH des cellules recherchées et les compare à des seuils

Il envoie ensuite un rapport au réseau En fonction de ces informations le réseau lui

demande de rajouter ou de supprimer des BS de la liste active

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W-CDMAW-CDMA

Softer handover Inter-frequency handover

Mode sloté

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W-CDMAW-CDMA

Couche RLC/MAC service temps réel ou non contrôle d’erreur (ARQ)

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W-CDMAW-CDMA

Mode paquet : trois méthodes