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ENSA Marrakech Université Cady Ayyad Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP Projet de semestre 19/06/2012 Année universitaire 2011/2012 Réalisé par : Hiba MOUACHI Idriss KNADEL Kawtar ZERHOUNI Encadré par : Mme R. EL ASSALI Département Réseaux et Télécoms Membres du jury : Mme R. EL ASSALI Mr Y.Jabrane Mr A.Latif

Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

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ENSA Marrakech Université Cady Ayyad

Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP

Projet de semestre

19/06/2012

Année universitaire 2011/2012

Réalisé par :

Hiba MOUACHI

Idriss KNADEL

Kawtar ZERHOUNI

Encadré par :

Mme R. EL ASSALI

Département Réseaux et Télécoms

Membres du jury :

Mme R. EL ASSALI

Mr Y.Jabrane

Mr A.Latif

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2 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Remerciements

Ce mémoire de projet de semestre est le résultat d’un travail effectué pendant 3mois au sein

du département Réseaux et Télécommunications de l’ENSA Marrakech, nous tenons donc à

remercier tout le cadre professoral du département et plus précisément Mme ELASSALI

RAJA, professeur à l’ENSA Marrakech, qui a accepté d’encadrer nos travaux durant cette

période.

Nos vifs remerciements aux membres du jury notamment Mr Y.JABRANE et Mr A.LATIF,

pour l’honneur qu’ils nous font en acceptant de juger ce travail.

Pour finir, nous tenons à remercier toute personne ayant contribué de près ou de loin à

l’élaboration du présent travail.

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3 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Sommaire

Liste des Figures ...................................................................................................................................... 5

Liste des Tableaux ................................................................................................................................... 6

Glossaire des Abréviations ...................................................................................................................... 7

Planning du projet ................................................................................................................................... 8

Cahier de charges ................................................................................................................................ 8

Diagramme de Gantt ........................................................................................................................... 8

Introduction générale ............................................................................................................................... 9

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE

1-Introduction ........................................................................................................................................ 10

2-Généralités de la norme LTE par 3GPP ............................................................................................. 11

2-1Terminaux .................................................................................................................................... 11

2-2 LTE et ses prédécesseurs ............................................................................................................ 12

3- Architecture générale ........................................................................................................................ 12

3-1Réseau d’accès (Access Network/ LTE) ...................................................................................... 13

3-1-1 Caractéristiques .................................................................................................................... 13

3-1-2 Les entités du réseau d’accès (E-UTRAN) .......................................................................... 14

3-2 Réseau cœur (Core Network) ...................................................................................................... 15

3-2-1 Caractéristiques .................................................................................................................... 15

3-2-2Les entités du réseau cœur .................................................................................................... 15

4-Architecture en couches ..................................................................................................................... 17

5- Conclusion ........................................................................................................................................ 18

Chapitre 2 : les techniques d'accés

1-Introduction ........................................................................................................................................ 19

2-Les techniques d’accès ....................................................................................................................... 20

2-1 L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) .......................................................... 20

2-1-1 Principe ................................................................................................................................ 20

2-1-2 Modulation ........................................................................................................................... 21

2-1-3 La condition d’orthogonalité ............................................................................................... 23

2-1-4 Démodulation ...................................................................................................................... 24

2-1-5 Avantages et inconvénients de l’OFDM ............................................................................. 25

3- OFDMA ........................................................................................................................................ 26

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4 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

3-1 Débit théorique maximal ......................................................................................................... 27

3-2 Les PRB : ................................................................................................................................ 27

3-3 Structure de la Trame LTE : .................................................................................................... 28

4- SC-FDMA ..................................................................................................................................... 31

5- Conclusion ........................................................................................................................................ 32

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab

1-Introduction ........................................................................................................................................ 35

2- Modulation ........................................................................................................................................ 35

3-Canal Gaussien ................................................................................................................................... 39

4-Demodulation ..................................................................................................................................... 40

5-Résultat de la simulation .................................................................................................................... 43

6-Conclusion ......................................................................................................................................... 45

Conclusion générale .............................................................................................................................. 47

Perspectives ........................................................................................................................................... 49

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5 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Liste des Figures

Figure 1 : Architecture générale du réseau LTE……………………………………………12

Figure 2 : Réseau d’accès E-UTRAN………………………………………………………14

Figure 3 : Réseau Cœur EPC……………………………………………………………….17

Figure 4 : Pile protocolaire………………………………………………………………….18

Figure 5 : Technique OFDM………………………………………………………………..20

Figure 6 : schéma de principe d’un modulateur…………………………………………….21

Figure 7 : Constellations des modulations utilisées par la LTE…………………………….22

Figure 8 : Schéma de modulation OFDM…………………………………………………22

Figure 9 : Spectres des différentes porteuses……………………………………………….23

Figure 10 : Spectre du signal OFDM pour 8 porteuses……………………………………..23

Figure 11 : Modulation et démodulation OFDM…………………………………………...25

Figure 12 : différence entre OFDM et OFDMA……………..……………………………..26

Figure 13 : PRB……………………………………………………………………………..28

Figure 14 : Ajout du préfix cyclique…...……………………………………………………28

Figure 15 : les types du préfixe cyclique……………………………………………………29

Figure 16: Format de la trame FDD pour la LTE…………………………………………...30

Figure 17 : Format de la trame TDD………………………………………………………..30

Figure 18 : Modulation SC-FDMA…………………………………………………………31

Figure 19 : mode localisé et mode distribué………………………………………………...32

Figure 20: Spectre du mode localisé (choix retenu par le LTE)…………………………….32

Figure 21 : Spectre du mode distribué………………………………………………………32

Figure 22 : Paramètres du bloc Random Integer Generator………………………………...35

Figure 23 : Paramètres du bloc QPSK Modulator………….……………………………….37

Figure 24 : Paramètres du bloc Multiport Selector……….…………………………………38

Figure 25 : Paramètres du bloc IFFT…………………….………………………………….38

Figure 26 : Paramètres du bloc Add Cyclic Prefix……….…………………………………39

Figure 27 : Paramètres du bloc AWGN………………….………………………………….40

Figure 28 : Paramètres du bloc Remove Cyclic Prefix…..………………………………….40

Figure 29 : Paramètres du bloc Frame conversion…………………………………………..41

Figure 30 : Paramètres du bloc zero-padding……………………………………………….41

Figure 31 : Paramètres du bloc Remove Pilots……………………………………………...42

Figure 32 : Constellation de l’entrée………………………………………………………...43

Figure 33 : Constellation de la sortie………………………………………………………...43

Figure 34 : Représentation spectrale du signal OFDM……………………………………...44

Figure 35 : Représentation spectrale du signal OFDM à la sortie du canal…………………45

Figure 36 : Le taux d’erreurs binaire……………………………………...…………………45

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6 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Liste des Tableaux

Tableau 1 : Classes des terminaux LTE…………………………………………………..11

Tableau 2 : LTE et ses prédécesseurs……………………………………………………..12

Tableau 3 : paramètres de l’OFDM pour chaque bande passante………………………...27

Tableau 4 : Nombre des PRBs pour chaque bande passante……………………………...28

Tableau 5 : les d’différentes configuration pour la trame TDD…………………………...31

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7 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Glossaire des Abréviations

3G: 3rd Generation Mobile Communication Systems.

3GPP: 3rd Generation Partnership Project.

4G: 4th generation mobile communication systems.

CDMA: Code Division Multiple Access.

CN: Core Network.

CP: Cyclic Prefix .

CPC: Continuous Packet Connectivity.

EPC: Evolved Packet Core.

EPS: Evolved Packet System.

E-UTRA: Evolved UMTS terrestrial Radio Access.

FDD: Frequency Division Duplex.

FFT : Fast Fourier transform.

FDMA: Frequency division multiple Access.

HSPA +: High Speed Packet Access Plus.

IFFT : Inverse fast Fourier transform.

LTE: Long Term Evolution.

MIMO: Multiple Input Multiple Output.

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing.

OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Acces.

PRB: Physical Resource Blocks.

QAM: Quadrature Amplitude Modulation.

SAE: System Architecture Evolution.

SC-FDMA: Single Carrier Frequency Division Multiple Access.

TDD: Time Division Duplex.

TDMA: Time division Multiple Acces .

UE: User Equipment.

UMTS: Universal Mobile Telecommunications System.

UTRAN: UMTS Terrestrial Radio access Network.

W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access.

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8 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Planning du projet

Cahier de charges

Etude bibliographique sur la norme LTE par 3GPP :

Généralités de la norme LTE par 3GPP

Architecture LTE

Caractéristiques de la norme LTE

Etude bibliographique sur la couche physique et plus particulièrement la technique

OFDM-MIMO

Modulation utilisée en LTE

Les techniques d’accès OFDM, OFDMA, SC-FDMA

Documentation sur la technique MIMO

Simulation d'une chaine simple de la couche physique sur Matlab :

Simulation d’une chaine de conception d’un signal OFDM

Diagramme de Gantt

Vue l’importance de notre projet de semestre et dans le but de planifier et organiser notre

travail, il était nécessaire de préciser les délais de chaque étape.

L’ordonnancement de notre projet est le suivant :

Page 9: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Introduction générale ENSA-Marrakech

9 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Introduction générale

Les réseaux de communication sans fil, est un domaine émergent qui fait objet d'une course

contre la montre, suite à la concurrence solide des entreprises et aux exigences des clients qui

ne cessent d’accroître. Au cours de cette dernière décennie, ces technologies ont donc connues

un développement remarquable touchant la qualité de service offert ainsi que sa diversité.

Cependant, les ressources de la bande passante restent limitées devant le nombre d’utilisateurs

en croissance exponentielle. En sus, ces consommateurs se sont habitués à une réduction des

frais de communications, et prévoient recevoir plus de services à prix bas. Par conséquent, il

doit y avoir une double approche pour les réseaux de l’avenir : offrir des services de qualité

supérieure tout en réduisant le coût.

L’avenir de la téléphonie mobile répondant à ce compromis, tout le monde le murmure déjà :

c’est la nouvelle norme, portant le nom de LTE (pour Long Term Evolution) mise au point par

la 3GPP. Déjà en service dans les pays nordiques et au Japon, tous ceux qui l’ont essayé

parlent de débits phénoménaux : 100Mbit/s théoriques. Là où elle est déployée, la LTE

rencontre un succès auprès du public.

Le but de ce projet est l’étude de cette norme, ainsi que la simulation d’une chaîne de

transmission.

Le premier chapitre, concerne l’étude bibliographique du standard LTE, dans lequel nous

allons aborder son architecture et ses caractéristiques techniques.

Dans le deuxième chapitre nous allons nous concentrer sur les techniques d’accès de la

couche physique de la norme, à savoir l’OFDM, l’OFDMA, ainsi que le SC-FDMA.

Quant au troisième chapitre, il détaillera la simulation faite sur Matlab, l’ensemble des blocs

utilisés ainsi que les paramètres choisis.

Finalement nous ferons le bilan des compétences acquises, les difficultés rencontrées durant la

réalisation de ce projet. Sans oublier de parler de nos perspectives pour ce travail.

Page 10: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

10 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE

1-Introduction

Diverses études du marché prévoient une croissance exponentielle du trafic des données entre

2012 et 2020. Cette croissance est d’autant plus marquante dans quelques pays où le volume

des données échangées dans les réseaux mobiles double. Afin de répondre aux besoins de plus

en plus persistants, la simple mise à disposition de nouvelles fréquences ne suffit pas.

Développé par l’organisme 3GPP, la nouvelle norme de radiocommunication LTE (long

Term Evolution)- une évolution des technologies IMT (International Mobile

Télécommunications: UMTS, HSPA, HSPA+)- vient résoudre l’ensemble des problèmes

évoqués. Le LTE vise une efficacité en matière de spectre environ 3 à 4 fois supérieure à

l'UMTS HSPA (High Speed Packet Access), pour un coût de réseau relativement bas.

Page 11: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

11 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

2-Généralités de la norme LTE par 3GPP

La 3GPP a commencé les travaux sur l’évolution de la technologie cellulaire 3G avec un

atelier qui a lieu à Toronto au Canada en Novembre 2004. Les spécifications de base de la

LTE ont été regroupées dans la Release 8.

L’atelier a ainsi fixé un ensemble d’exigences pour la 3G LTE :

Réduction des coûts par bit,

Plus de services à moindre coût avec une meilleure qualité,

Souplesse d’utilisation des bandes,

Architecture simplifiée,

Autoriser une consommation raisonnable de l’énergie du terminal.

2-1Terminaux

Les terminaux LTE peuvent être des téléphones (Smartphones), des tablettes, des clés-

modems USB ou tout autre type d’équipements fixes ou mobiles (GPS, ordinateur, écran

vidéo, ...).

Le 3GPPa défini 5 classes de terminaux LTE correspondant aux débits maximaux (montant et

descendant) que doit supporter l’équipement et au type d’antenne qu’il intègre. Le tableau ci-

dessous regroupe les caractéristiques de ses classes :

Catégorie 1 2 3 4 5

Débit (Mbps) DownLink 10 50 100 150 300

UpLink 5 25 50 50 75

Bande passante 1.4 à 20 MHz

Modulations Downlink QPSK, 16QAM, 64QAM

Uplink QPSK, 16QAM QPSK,

16QAM,

64QAM

Antennes MIMO 2*2 non oui

MIMI+O

4*4

Non oui

Tableau 1 : Classes des terminaux LTE -

Page 12: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

12 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

2-2 LTE et ses prédécesseurs

Comme la LTE est considérée comme une évolution de ses prédécesseurs 3G à savoir le

WCDMA, l’HSPA, l’HSPA+, il est alors intéressant de faire une comparaison entre ces

technologies :

WCDMA HSPA HSPA+ LTE

Débit max

Dowlink

384 Kbps 14 Mbps 28 Mbps 100 Mbps

Débit max Uplink 128 Kbps 5.7 Mbps 11 Mbps 50 Mbps

Temps de latence 150 ms 100 ms 50 ms ~10 ms

3GPP Release Rel 99/4 Rel 5/6 Rel 7 Rel 8

Année 2003/2004 2005/2008 2008/2009 2009/2010

Méthodes d’accès CDMA CDMA CDMA OFDMA/SC-

FDMA

Tableau 2 : LTE et ses prédécesseurs -

Cette nouvelle technologie impose aux opérateurs un changement de l’architecture réseau

ainsi que les terminaux mobiles. Ce nouveau réseau est nommé EPS (Evolved Packet

System), constitué d’un nouveau réseau d’accès appelé LTE (Long Term Evolution) et d’un

nouveau réseau cœur appelé SAE (System Architecture Evolution).

3- Architecture générale

Figure 1 : Architecture générale du réseau LTE

Page 13: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

13 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

3-1Réseau d’accès (Access Network/ LTE)

3-1-1 Caractéristiques

Débit de l’interface radio

Les techniques d’accès utilisées dans la couche physique à savoir l’OFDMA (Orthogonal

Frequency Division Multiple Access) pour le sens descendant et SC-FDMA (Single Carrier -

Frequency Division Multiple Access) pour le sens montant, permettent à l’interface radio E-

UTRAN de supporter un débit théorique maximum instantané de 100 Mbit/s pour le sens

descendant et de 50 Mbit/s pour le sens montant.

Flexibilité dans l’usage de la bande

La LTE permet l’utilisation d’une bande variée, avec les possibilités suivantes : 1.25, 2.5, 5,

10, 15 et 20MHz, pour les sens descendant et montant. Ce choix permet à l’opérateur un

déploiement flexible selon les services proposés et besoins des clients.

Connexion permanente

Grâce à l’adressage IP, chaque terminal est relié au réseau de façon permanente, permettant

ainsi au réseau de recevoir son trafic à tout moment, le mettre en mémoire, le localiser en

effectuant un paging et lui demander de réserver des ressources. Cependant, il est nécessaire

pour le terminal de passer de l’état IDLE (oisif) à l’état ACTIF lorsqu’il s’agira d’envoyer ou

recevoir du trafic. Ce changement d’état s’opère en moins de 100 ms.

Délai pour la transmission de données

On estime une valeur moyenne du délai de 25 ms en situation de charge moyenne de

l’interface radio (permet de supporter les services temps réel IP : voix sur IP et streaming sur

IP). Or, quand un seul terminal est actif sur l’interface radio (situation de non-charge) moins

de 5 ms suffisent pour transmettre des données entre l’UE et l’Access Gateway.

Mobilité

Le handover peut s’effectuer dans des conditions où l’usager se déplace à grande vitesse. Les

performances maximales de la norme sont maintenues pour des vitesses entre 0-15 km/h. La

mobilité est assurée même à des vitesses comprises entre 120 et 350 km/h malgré une légère

distorsion du signal.

Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :

Au début peu de zone seront couvertes par la LTE, il s’avère donc nécessaire d’assurer

l’interopérabilité avec les générations existantes. Cette configuration est limitée par le temps

de transition entre les différentes architectures que la norme a défini de la sorte suivante :

entre E-UTRAN (LTE) et UTRAN (3G) le handover doit être réalisé en moins de 300 ms

pour les services temps-réel et 500 ms pour les services non temps-réel.

Couverture de cellule

Comme la LTE pourra opérer sur des bandes de fréquences diverses et notamment basses

comme celle des 700 MHz, il sera possible de considérer des cellules qui pourront couvrir un

Page 14: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

14 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

large diamètre allant jusqu’à 30km. Cependant pour garantir les performances maximales du

système LTE, la norme définit un rayon de couverture de 5km.

3-1-2 Les entités du réseau d’accès (E-UTRAN) :

Le réseau d’accès est constitué d’une seule entité : E-Node B responsable de la transmission

et de la réception radio avec le terminal.

La notion de concentrateur de trafic disparaît en LTE. Dans la 3G on trouve deux entités dans

l’UTRAN : la node B, et le RNC (Radio Network Controller)note, les fonctions supportées

par ce dernier ont été réparties entre l’E-Node B et les entités du réseau cœur.

L’E-NodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur.

L’interface S1 consiste en S1-C (S1-Control) entre l’eNodeB et la MME et S1-U (S1-Usager)

entre l’eNodeB et la SGW. Une nouvelle interface X2 a été définie entre les eNodeBs

adjacents.

Figure 2 : Réseau d’accès E-UTRAN

Quand un terminal passe d’un E-NodeB à un autre de nouvelles ressources lui sont allouées

sur le nouvel eNodeB, or le réseau continue à transmettre ses données vers l’ancien E-NodeB

tant qu’il n’a pas été informé du changement. Afin de minimiser la perte de ses paquets de

données, l’ancien eNodeB relaie les paquets entrants sur l’interface X2 au nouvel eNodeB qui

les remet à l’UE.

Page 15: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

15 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

3-2 Réseau cœur (Core Network)

3-2-1 Caractéristiques

Architecture tout IP :

Le réseau cœur de la LTE possède un seul domaine de commutation paquet appelé EPC

(Evolved Packet Core): réseau cœur évolué. Par suite tous les services seront offerts sur IP y

compris ceux offerts par le domaine circuit dans les réseaux antérieurs à savoir la voix, la

visiophonie, les SMS…

Différents mode de roaming :

Le roaming a deux mode : le home routed et le local breakout. Quand le trafic d’un abonné est

directement routé au réseau destinataire, c’est le mode « local breakout », ce mode est

intéressant pour des applications à fortes contraintes de délai comme la voix. Alors que

lorsqu’il est d’abord acheminer au réseau nominal puis transférer à la destination, c’est le

mode «home routed ».

Différents types de porteurs de données :

L’EPC offre deux types de porteurs de données : les Default bearers et les Dedicated bearers.

Lorsque un usager se rattache au réseau EPC, ce dernier lui crée un défaut bearer : une

connectivité permanente tant que l’usager est rattaché au réseau mais sans débit garanti.

Quand l’usager souhaitera établir un appel qui requiert une certaine qualité de service telle

que l’appel voix ou visiophonie, le réseau pourra établir pour la durée de l’appel un dedicated

bearer qui supporte la qualité de service exigée par le flux de service et surtout qui dispose

d’un débit garanti afin d’émuler le mode circuit.

Handover et filtrage :

Il est intéressant de noter que l’EPC peut acheminer un trafic vers l’accès LTE, CDMA-2000

(paquet), 2G (paquet) et 3G (paquet) et ainsi garantir le handover entre les technologies

d’accès.

Enfin, l’EPC supporte le filtrage de paquet : par exemple pour la détection de virus et une

taxation évoluée basée sur le service accédé par le client en termes du volume, de la session,

de la durée, de l’événement, du contenu, etc…

3-2-2Les entités du réseau cœur

Le réseau cœur évolué EPS est composé de cinq principales entités:

Mobility Management Entity :

Entité de gestion de mobilité, MME c’est le nœud principal de contrôle du réseau d'accès

LTE/SAE.

Il permet la gestion d’un ensemble de fonctions :

Page 16: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

16 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

• Signalisation : gestion de la mobilité des terminaux (attachement, détachement, mise à jour

de localisation) ainsi que leur session (établissement/libération de session de données)

• Authentification : Le MME est responsable de l’authentification des UEs à partir des

informations recueillies du HSS.

• Gestion de la liste de Tracking Area : chaque MME est chargé d’un ensemble de zones de

localisation groupées dans une liste nommée : Tracking Area. A chaque fois que l’UE se

trouve dans une zone non prise par son MME, il met à jour sa localisation.

• Joignabilité de l’UE dans l’état ECM-IDLE (incluant paging) : MME est responsable du

paging lorsque l’UE est dans l’état IDLE et que des paquets à destination de l’UE sont reçus

et mis en mémoire par le Serving GW.

• Sélection de MME lors du handover avec changement de MME : Lorsque l’usager est dans

l’état ACTIF et qu’il se déplace d’une zone prise en charge par un MME à une autre zone qui

est sous le contrôle d’un autre MME, alors il est nécessaire que le handover implique l’ancien

et le nouveau MME.

• Sélection du SGSN lors du handover avec les réseaux d’accès 2G et 3G : Si l’usager se

déplace d’une zone LTE à une zone 2G/3G, c’est le MME qui sélectionnera le SGSN qui sera

impliqué dans la mise en place du default bearer.

• Roaming avec interaction avec le HSS nominal : quand l’usager se rattache au réseau, le

MME s’interface au HSS nominal afin de mettre à jour la localisation du mobile et obtenir le

profil de l’usager.

• Fonctions de gestion du bearer incluant l’établissement de dedicated bearer : le MME

établie le default bearer et dedicated bearer nécessaires pour la prise en charge des

communications d’un usager.

• Interception légale du trafic de signalisation: MME reçoit toute la signalisation émise par

l’UE et peut l’archiver à des fins de traçabilité.

Serving Gateway (SGW)

Les SGW transmettent les paquets de données utilisateurs, tout en agissant comme point

d’ancrage pour la mobilité de la couche utilisateur pendant les HandOver et pour la mobilité

entre LTE et les autres technologies de 3GPP.

PDN Gateway (PGW)

La passerelle LTE/SAE PDN fournit la connectivité pour l'UE à des réseaux de paquets de

données externes, remplissant ainsi la fonction d'entrée et de sortie pour les données UE.

L'UE peut avoir une connexion simultanée à plus d’un PGW pour accéder à plusieurs PDNs.

Page 17: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

17 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Home Subscriber Server (HSS)

C’est un HLR évolué contenant les informations de souscription pour les différents réseaux

GSM, GPRS, 3G et LTE. Il est donc utilisé simultanément par ces réseaux, et supporte donc

sur son interface, le protocole MAP du monde SS7 (2G, 3G), et aussi un autre protocole du

monde IP : DIAMETER (LTE).

Policy and Charging Rules Function (PCRF)

C’est le nom attribué à l’entité responsable de la tarification. Pour les applications qui

nécessitent une politique dynamique de tarification ou de contrôle, un élément du réseau

intitulé Applications Function, AF est utilisée.

Figure 3 : Réseau Cœur EPC

4-Architecture en couches

La LTE fonctionne en couches entre utilisateurs, l’eNodeB et le Mobile Management

Entity(MME), et voici ces couches :

Couche Physique(PHY) : chargée de la transmission effective des signaux, elle est constituée

d’équipements supportant les technologies OFDMA et SC-FDMA.

Couche liaison de données constituée de: MAC (Media Access Control) chargée de

l’interface entre les couches supérieures et la couche physique et RLC (Radio Link Control)

fiabilisant la transmission de données en mode paquet.

Couche PDCP (Packet Data Control Protocol) : côté utilisateur, elle assure la compression et

décompression des données afin de les acheminer dans le réseau.

Page 18: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 1 : Etude de la norme LTE ENSA-Marrakech

18 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

RRC (Radion Resource Control) : assure une qualité de service en contrôlant les ressources.

Deux états sont possibles : le RRC_IDLE (pas d’équipement connecté) ou

RRC_CONNECTED qui est un protocole effectué sur 3 étapes :

Une demande faite par l’utilisateur au réseau E-UTRAN (RRC CONNECTION REQUEST),

qui accepte (RRC CONNECTION SETUP) ou refuse la connexion (RRC CONNECTION

REJECT).

En cas d’acceptation, l’utilisateur renvoie un RRC CONNECTION SETUP COMPLETE et

la connexion est établie.

Couche Réseau NAS (Non- Access Stratum) : gérant tout type d’applications non traitées au

niveau de l’eNodeB (exemple Tarification).S

Figure 4 : Pile protocolaire

5- Conclusion

Ce chapitre a introduit de façon générale la norme LTE par 3GPP. La nouvelle évolution de

l’architecture du système, SAE pour la LTE fournit une nouvelle approche pour le réseau

cœur, permettant de transporter des données à hauts débits.

La LTE est déjà sur le marché et les performances de cette technologie sont déjà prouvées.

Elles reviennent en grande partie aux techniques d’accès de sa couche physique.

Use

r

•NAS

•RRC

•PDCP

•RLC

•MAC

•Phy

eNod

eB

•RRC

•PDCP

•RLC

•MAC

•Phy

MM

E

•NAS

Page 19: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

19 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Chapitre 2: Les techniques d’accès

1-Introduction

Les techniques qu’on appelle multi-porteuses consistent à transmettre des données

numériques en les modulant sur un grand nombre de porteuses en même temps.

Ce sont des techniques de multiplexage en fréquence qui existent depuis longtemps. Le regain

d’intérêt actuel réside dans l’amélioration apportée pour augmenter l’efficacité spectrale en

orthogonalisant les porteuses ce qui permet d’implémenter la modulation et la démodulation à

l’aide des circuits performants de transformée de Fourier rapide.

Le multiplexage en fréquence est bénéfique pour les transmissions dans des canaux sélectifs

en fréquence qui comportent des trajets multiples.

C'est pourquoi, la technique LTE se base sur les systèmes d’accès multiple OFDM qui

transmettent les données par blocs. Dans ce qui suit, on s'intéressera d'abord à la technique

d'accès multiple : l'OFDM en général, et ensuite le Single Carrier FDMA proposée à être

utilisée sur la voie montante, et le OFDMA sur la voie descendante et nous énoncerons les

principales raisons ayant conduit au choix de ces techniques.

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

20 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

2-Les techniques d’accès

2-1 L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Une technique de transmission très performante pour les réseaux sans fil à hauts débits

numériques, qui s’adapte parfaitement aux communications mobiles, et semble

incontournable pour les futurs standards de troisième et quatrième générations.

Figure 5 : Technique OFDM

2-1-1 Principe

La technique de multiplexage OFDM consiste à subdiviser la bande de transmission en

plusieurs sous canaux, conduisant à une augmentation de la durée symbole. Cela revient à

diviser le flux de données à transmettre en plusieurs sous flux de données parallèles, qui

seront modulés et transmis sur des sous bandes orthogonales différentes. Par la suite, la

transformée de Fourier Rapide Inverse (IIFT), véhicule le signal par le biais des différents

sous-canaux et s’occupe de la recomposition du message chez le récepteur. L’augmentation

de la durée symbole accroit la robustesse de l’OFDM face au temps de propagation dû aux

trajets multiples.

Cette modulation apparait alors comme une solution aux problèmes de : Trajet-multiple,

Multi-retard, Effet Doppler.

Pourquoi OFDM ?

Un canal multi-trajet présente une réponse fréquentielle qui n'est pas plate mais comportant

des creux et des bosses (des trajets constructifs et destructifs), dus aux échos et réflexions

entre l'émetteur et le récepteur. Un très grand débit impose une grande bande passante et si

cette bande passante "couvre" une partie du spectre comportant des creux, il y a perte totale de

l'information pour la fréquence correspondante. Le canal est alors dit "sélectif" en fréquence.

Pour remédier à ce désagrément, l'idée est de répartir l'information sur un grand nombre de

porteuses, créant ainsi des sous-canaux très étroits pour lesquels la réponse fréquentielle du

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

21 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

canal peut être considérée comme constante. Ainsi, pour ces sous-canaux, le canal est non-

sélectif en fréquence, et s'il y a un creux, il n'affectera que certaines fréquences, qui pourront

être "récupérées" grâce à un codage astucieux.

Par la suite on va expliciter toutes les étapes de la modulation et démodulation OFDM.

2-1-2 Modulation

Génération conceptuelle d’un signal OFDM :

Le principe est de grouper des données numériques par paquets de N, qu’on appellera

symbole OFDM et de moduler par chaque donnée une porteuse différente en même temps.

Figure 6 : schéma de principe d’un modulateur-

Considérons :

-Une séquence de N données c0, c1,....cN-1

- la durée symbole.

- la fréquence du signal

Le signal individuel est donc sous la forme complexe :

Par suite le signal total émis :

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

22 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Les données numériques sont des nombres complexes définis à partir d’éléments binaires

par une constellation de modulation d’amplitude en quadrature MAQ à plusieurs états (4,

16,64).Ces données sont des symboles q-aires formés par groupement de q bits.

-Figure 7 : Constellations des modulations utilisées par la LTE-

Génération pratique d’un signal OFDM:

Un signal OFDM est généré en utilisant l’IFFT (Transformé de Fourier Inverse) :

Le signal modulé en bande de base s(t) est discrétisé :

-Figure 8 : Schéma de modulation OFDM-

Si l’espace entre les fréquences est 1/ , donc le multiplexage est orthogonal Dans ce cas,

pour :

On a :

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

23 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

2-1-3 La condition d’orthogonalité

1. L’espace inter-porteuse

permet, lorsque le spectre d’une sous-porteuse est

maximal, d’annuler les spectres de toutes les autres. Ainsi, les spectres des sous-

porteuses peuvent se recouvrir sans engendrer d’interférences.

2. Dans la bande occupée par les sous-porteuses, le spectre est presque plat, ce qui

démontre une efficacité spectrale optimale.

Pourquoi l’orthogonalité ?

Le spectre d’une sous-porteuse, modulant une donnée pendant une fenêtre de temps est la

transformée de Fourier de cette fenêtre. Pour plusieurs porteuses, on obtiendra donc les

spectres suivants : (condition 1 d’orthogonalité)

Figure 9 : Spectres des différentes porteuses-

Le spectre du signal OFDM est la somme des spectres de chacune des sous-

porteuses :(condition 2 d’orthogonalité)

-Figure 10 : Spectre du signal OFDM pour 8 porteuses-

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

24 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

2-1-4 Démodulation

Reconstitution d’un signal OFDM :

Au niveau du récepteur:

: Fonction de transfert du canal autour de la fréquence et au temps t

La condition d’orthogonalité nous montre que :

Car

La bande passante du signal étant

, la fréquence d’échantillonnage doit être

supérieure ou égale à

soit

.

L’échantillonnage se fera aux temps:

Le signal reçu en bande de base après le décalage en fréquence de f0+B/2 s’écrit alors :

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

25 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Puis après échantillonnage :

est la Transformée de Fourier discrète inverse de la démodulation

consiste donc à effectuer une Transformée de Fourier directe discrète (FFT).

Figure 11 : Modulation et démodulation OFDM-

2-1-5 Avantages et inconvénients de l’OFDM

Avantages

Multipath

Un Temps Symbole important rend le signal plus résistant au multipath.

Les intervalles de garde limitent les interférences inter-symboles dues au multipath.

Efficacité spectrale

Efficacité spectrale élevée due à l’orthogonalité quasi-totale des sous-porteuses, autorisant

une fine séparation fréquentielle entre-elles.

Réception

Grande simplicité de la réception : simple implémentation de FFT au niveau de l’UE.

Aucun système d’annulation des interférences intracellulaires n’est nécessaire (pas

d’égaliseur).

Codage canal Modulation des

symboles

MODULATION

OFDM (IFFT)

Insertion des

intervalles de

temps

Décodage

canal

Démodulation

des symboles

DEMODULATION

OFDM(FFT)

Retrait des

intervalles de

temps

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

26 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Inconvénients

Peak-to-Average Power Ratio (PAPR)

Le PAPR est élevé, ce qui limite l’efficacité des Power Amplifiers des mobiles.

Effet sur les symboles OFDM transmis : Etalement spectral (interférences entre canaux

adjacents) + BER élevé (intermodulation, changement dans la constellation).

Sensibilité au décalage fréquentiel

Le décalage fréquentiel rompt l’orthogonalité des sous-porteuses et cause des interférences

inter-porteuses (Inter Carrier Interférences ICI), ce qui dégrade fortement les performances du

réseau.

3- OFDMA

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) est une technique qui dérive de

l'OFDM en utilisant le même principe de division de la bande passante en plusieurs sous-

porteuses.

Figure 12 : différence entre OFDM et OFDMA

La différence entre l’OFDM et l’OFDMA c’est que la première servira un usager dans un

intervalle de temps, par contre OFDMA elle peut servir plusieurs usagers dans un même

intervalle de temps, comme montrer dans la figure ci-dessus.

La norme LTE a choisi comme écart entre les sous-porteuses 15KHz ce qui donne une vitesse

de modulation pour chacune des porteuses 15Kbauds.

Comme précisé dans le paragraphe précédent l’écart entre les sous-porteuses est égal à

.

Alors la durée du symbole transporté: =

= 66.66 µs.

Sachant que la norme LTE donne une flexibilité pour le choix de la bande alors on aura

différentes configurations pour chacune, ce qui est résumé dans le tableau ci-dessous.

Page 27: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

27 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Transmission BW 1.4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz

Durée sous-trame (Ts) 0.5ms

Espacement sous-porteuses 15KHz

Fréquence

d’échantillonnage

1.4 MHz 3.84

MHz

7.68

MHz

15 .36MHz 23.04

MHz

30.72

MHz

Taille FFT 128 256 512 1024 1536 2048

Nombre de sous-porteuses

occupées

73 181 301 601 901 1201

Tableau 3 : paramètres de l’OFDM pour chaque bande passante.

3-1 Débit théorique maximal

En LTE on a la liberté de choisir entre les trois types de modulation QPSK (2 bits/symbole),

QAM-16 (4 bits/symbole) ou QAM-64 (6 bits/symbole) aussi bien en DL qu’en UL.

Pour notre cas on va essayer de calculer le débit descendant maximal, alors les paramètres à

choisir sont :

Modulation QAM-64 => 6 bits/symbole;

Bande passante 20MHz => 1200 sous-porteuses.

Dmax=15000*1200*6=108,09 Mbits/s. (15000 est la bande passante de chaque sous-

porteuse.)

3-2 Les PRB :

Les utilisateurs se voient attribuer un nombre précis de sous-porteuses pour un time slot

prédéterminé, appelées dans les spécifications LTE les blocs de ressources physiques PRBs

(Physical Resource Blocks).

Les PRBs ont chacun une dimension temps et fréquence, et leur répartition est gérée par une

fonction de planification à la station de base 3GPP (eNodeB).

Chaque PRB est composé de 12 sous-porteuses avec 6 ou 7 symboles OFDM selon le préfixe

cyclique utilisé.

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

28 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Figure 13 : PRB

Le nombre total des PRBs dépend de la bande passante utilisée ce qui est explicité dans le

tableau ci-dessous :

Transmission BW 1.4MHz 2.5MHz 5MHZ 10MHz 15MHz 20MHz

Nombre de PRBs 6 15 25 50 75 100

Tableau 4 : Nombre des PRBs pour chaque bande passante.

3-3 Structure de la Trame LTE :

Pour éviter ces interférences et absorber ce retard, le symbole OFDM est allongé avec un

préfixe cyclique plus grand que le plus grand des retards apparaissant dans le canal.

L’introduction d’un préfixe cyclique permet de lutter contre les Interférences Inter Symboles

(ISI).

Figure 14 : Ajout du préfix cyclique.

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

29 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Deux tailles de CP sont permises:

un court ou normal (5,21µs/4,69µs)

un long (16,67µs)

Le choix dépend du type de cellule et du temps de propagation à combattre : pour les macros

cellules on utilise le CP long, tandis que pour les microcellules, le court.

Remarque : Le Choix du CP influence le débit global.

Figure 15 : les types du préfixe cyclique

Un Time Slot dans la release 8 de la 3GPP a une durée de 0.5ms alors selon le choix du CP

on peut avoir soit :

7 symboles OFDM pour un CP court,

6 symboles OFDM pour un CP long.

Rappelant qu’un symbole OFDM a une durée de 66.66 µs.

Format de la Trame en mode FDD

La durée de la trame LTE est de 10ms composée de 10 sous-trames de 1ms et chacune de ses

dernières contient 2 times slots de 0.5ms.

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

30 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Figure 16: Format de la trame FDD pour la LTE

Format de la trame en mode TDD

Elle a la même durée de la trame LTE en mode FDD, c'est-à-dire 10ms avec 10 sous-trames

de 1ms, la différence réside dans les sous-trames (1) et sous-trame(2) qui contiennent des

données de signalisation et qui sont :

Figure 17 : Format de la trame TDD

DwPTS- Downlink Pilot Time Slot;

GP-Guard Période ;

UpPTS- Uplink Pilot Time Slot.

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

31 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

En TDD on définit 6 configurations UL/DL différentes:

Tableau 5 : les d’différentes configuration pour la trame TDD

4- SC-FDMA

L’un des grand inconvénients de l’OFDMA est le PAPR qui est trop élevé, pour la LTE il est

très critique car il ne faut pas oublier que le but de cette technologie et de permettre aux

usagers d’utiliser des applications de plus en plus développées.

Alors en utilisant l’OFDMA en uplink, on va perdre dans l’autonomie du mobile. Pour cela

LTE a opté pour un autre type de multiplexage en Uplink qui est le SC-FDMA.

SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division multiple Access) a le même principe que

l’OFDMA, la différence existe sur un seul point:

Au lieu de mapper les symboles sur les sous-porteuses, on mappe leur DFT.

Figure 18 : Modulation SC-FDMA

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Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

32 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

A la sortie du DFT on peut mapper selon deux manières soit :

Localisée;

distribuée.

Figure 19 : mode localisé et mode distribué

Ainsi deux types de spectres peuvent exister dans le sens UL suivant le choix effectués:

Figure 20: Spectre du mode localisé (choix retenu par le LTE).

Figure 21 : Spectre du mode distribué.

5- Conclusion

L’usage de la technique OFDM n’est pas une exclusivité pour la norme LTE, Wimax, WiFi et

DVB étaient les premiers.

Localized

mapping

Distributed

mapping

Page 33: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 2 : Les techniques d’accès ENSA-Marrakech

33 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Pour la LTE on ne peut pas rêver à un débit descendant plus que 100Mbits/s et un autre

montant de 50Mbits/s, le débit asymétrique est du à l’utilisation de deux techniques

différentes en quelque sorte mais se basant toujours sur le principe de l’OFDM, pour le lien

descendant l’OFDMA et SC-FDMA pour le montant sachant que les deux utilisent les

mêmes types de modulation possible.

La raison la plus critique pour ce changement de technique est d’augmenter l’autonomie des

équipements des usagers.

Dans ce chapitre notre concentration s’est focalisée sur la technique OFDM en parcourant

toutes les étapes nécessaires soit pour la génération du signal OFDM soit pour l’extraction à la

réception du signal utile.

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Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

34 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Chapitre 3 : Simulation

Mise en œuvre d’une chaine de

transmission OFDM

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Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

35 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

1-Introduction:

Sachant que l’implémentation d’une chaine de transmission OFDM repose sur un calcul de

l’IFFT et de FFT, notre projet consiste à mettre en œuvre cette chaine à l’aide de l’outil

Simulink disponible dans le logiciel Matlab.

2- Modulation :

Création d’une chaine de transmission OFDM :

Random Integer Generator :

Génère un nombre aléatoire d’entiers avec les paramètres suivant:

4 états d’entiers

3MHz la bande passante

192 entiers par trame.

Figure 22 : Paramètres du bloc Random Integer Generator

Page 36: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

36 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Integer to bit converter :

Pour la conversion des entiers en des bits avec un seul paramètre à modifier

qui est le nombre de bits pour chaque entier, dans notre cas on va choisir 2 bits car l’entrée est

composée de 4 états possibles.

Bit to integer Converter

Pour la conversion des bits en entiers, avec le même paramètre à modifier qui

est le nombre de bits pour chaque entier et qui vaut 2 bits.

Remarque :

On constate que l’entrée du premier bloc est égale à la sortie du deuxième alors à quoi bon ces

deux blocs ?

L’intérêt est d’extraire les bits de la source pour les comparer avec ceux du récepteur

comme ça on peut calculer le taux d’erreur binaire.

Modulation QPSK

La source qu’on a utilisé est composée de 4 états possibles donc la modulation

qu’on doit utiliser doit être elle aussi à 4 états.

La norme LTE offre la possibilité d’utiliser la modulation QPSK (4-QAM) et

ça sera notre choix pour cette simulation : pour cela on a utilisé le bloc QPSK Modulator, en

modifiant l’ordre de la constellation : GRAY au lieu de BINARY.

Page 37: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

37 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Figure 23 : Paramètres du bloc QPSK Modulator

Insertion des sous-porteuses pilotes et DC :

Les sous-porteuses disponibles dans une bande ne sont pas toutes attribuer aux datas des

utilisateurs, il existe quelques-unes utilisées pour d’autres raisons telles que :

DC Sub-carrier : La porteuse centrale, pour marquer le centre de la bande OFDM ;

Pilot Sub-Carriers : utilisées pour transporter des séquences PILOTE bien utiles pour

connaitre le canal de propagation.

Le rôle du bloc suivant est d’intégrer ces différentes sous-porteuses :

On va intégrer une DC Sub-Carrier au milieu de la trame et 3 Pilot Sub-Carriers.

Select Rows : Pour découper les 192 symboles reçus à son entrée par 4, en rangeant

chaque ensemble dans une sortie.

Entre les 4 ensembles on va intégrer nos Pilot Sub-Carriers et au milieu La porteuse

centrale.

Et pour rassembler le tout on va utiliser le bloc Matrix Concaténation en changeant le nombre

des inputs par 8.

Page 38: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

38 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Figure 24 : Paramètres du bloc Multiport Selector

IFFT :

IFFT est le bloc le

plus important dans la

chaine de modulation

OFDM, la taille de l’IFFT choisi

est 256.

Figure 25 : Paramètres du bloc IFFT.

Page 39: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

39 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Préfixe cyclique

Pour chaque symbole on doit ajouter un préfix cyclique, pour cela juste après le

bloc d’IFFT on ajoute le bloc selector.

Sachant qu’à l’entrée de l’IFFT la taille de la matrice est (196,1) alors à l’aide le

préfix cyclique on va essayer d’étendre cette matrice jusqu’à atteindre 256.

Pour cela les paramètres du préfix cyclique seront comme suit :

Figure 26 : Paramètres du bloc Add Cyclic Prefix

3-Canal Gaussien

La valeur du SNR peut être modifiée pour déterminer la limite pour laquelle

on commence à avoir un taux d’erreur élevé.

A ce niveau, on a généré

un signal OFDM, l’étape

suivante est l’envoi d’un

signal dans un canal.

Page 40: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

40 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Figure 27 : Paramètres du bloc AWGN

4-Démodulation Création d’une chaine de transmission OFDM :

Remove Cyclic Prefix :

Pour enlever le préfix cyclique:

Lors de la modulation la sortie finale est un vecteur de 317 éléments, comme nous avons

ajouté un préfixe cyclique de 61 éléments (256-195) alors à la réception on doit extraire les

premiers 61 et cela se

fera en utilisant les

paramètres suivant :

Figure 28 : Paramètres du bloc Remove Cyclic Prefix

Page 41: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

41 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

FFT :

A la sortie du préfixe cyclique la taille du vecteur est 256, qui sera directement

traiter par le bloc FFT.

Pour la taille de la FFT on a le choix entre 256 ou « Inherit FFT length from

input dimensions ».

Frame Conversion :

Pour regrouper les données en trame de 256 éléments.

Figure 29 : Paramètres du bloc Frame conversion

Remove zero-padding :

Pour éliminer les

zéros de bourrage

on a utilisé les

paramètres suivant :

Figure 30 : Paramètres

du bloc zero-padding

A cette étape nous avons

reconstitué 256 éléments ,196

éléments de données utiles

plus 60 zéros de bourrage

ajoutées par l’IFFT lors de la

modulation.

Page 42: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

42 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Select Rows

Sans les zéros de bourrage nous avons 196 éléments, alors pour avoir la même

trame de la source on doit enlever les symboles provenant des sous-porteuses

pilotes et la sous porteuse centrale.

Pour cela, il faut tout d’abord détecter l’emplacement exact de chaque sous-porteuse à

enlever et cela en raisonnant sur le découpage qu’on a fait au niveau de la modulation.

Donc les paramètres choisis :

Figure 31 : Paramètres du bloc Remove Pilots

Démodulation QPSK :

Même paramètres que le bloc de modulation QPSK.

Pour les blocs restants, ils ont le même rôle et paramètres que ceux utilisés au

niveau de la modulation.

Page 43: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

43 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

5-Résultat de la simulation

Figure 32 : Constellation de

l’entrée

Figure 33 : Constellation de la sortie

La figure représente la

constellation du signal

d’entrée, générée par le

modulateur QPSK.

Avec un SNR=30db on observe

que les points de constellation

varie mais pas autant pour être

considérer erronés.

Ils appartiennent aux régions de

décision convenables.

Page 44: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

44 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Figure 34 : Représentation spectrale du signal OFDM à l’entrée

du canal

A ce niveau on peut visualiser les sous-porteuses à l’entrée du canal :

Chaque pic représente une sous-porteuse

Les 3 pics (en bleu) à grande amplitude représentent les sous-porteuses pilotes

Le pic (en rouge) à faible amplitude représente la sous-porteuse centrale.

Page 45: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

45 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Figure 35 : Représentation spectrale du signal OFDM à la sortie

du canal

A la sortie du canal, on remarque que le signal n’est pas dégradé par le bruit introduit

au niveau du canal.

Figure 36 : le taux d’erreur binaire

Le nombre des bits erronés est égale à 0 cela à la valeur de SNR choisi.

6-Conclusion

La simulation Simulink que nous avons réalisée a permis de mettre en relief les intérêts d’une

modulation et démodulation OFDM d’un point de vue taux d’erreur binaire, ainsi que les

Page 46: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Chapitre 3 : Simulation sur Matlab ENSA-Marrakech

46 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

paramètres de la chaine de transmission primordiaux (nombre de porteuses,, choix de

constellation) à ajuster en fonction du canal et des données à transmettre.

Dans cette partie de la simulation, nous avons réalisé une chaîne basic de la technique OFDM,

en guise de perspectives nous contons y introduire d’autres types de bruits, ainsi que l’adapter

à la technique OFDMA.

Page 47: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Conclusion générale ENSA-Marrakech

47 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Conclusion générale

Pour les opérateurs, la technologie LTE améliore considérablement les offres

commerciales grâce à une flexibilité spectrale exceptionnelle, à une capacité largement

supérieure et à une plateforme permettant de fournir des applications hautes gamme de

façon économique.

Ce projet était l’occasion pour nous, pour découvrir un nouveau monde de recherche et

développement qui se base sur des nouvelles technologies de communication et qui est

applicable dans divers secteurs.

D’autre part, ce projet nous a permis d’améliorer nos connaissances des réseaux sans fil,

et aussi de voir de prés l’utilité des concepts de traitement de signal, communication

numérique et ainsi les différents phénomènes affectant les liaisons radios et influençant

la communication.

Page 48: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Conclusion générale ENSA-Marrakech

48 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Référence :

[1] Geneviéve BAUDOIN, Radiocommunications numériques, Tome 1 : Principes,

modélisation et simulation ,2002

[2]Fabien MULOT, Etude et modélisation d’une liaison de données pour micro drone en

environnement à trajets multiples, 2004

[3] LTE + SAE = EPS, Principes et Architecture, Efort 2008

[4] Modulations Multi porteuses : Annick le Glaunec

[5] LTE : Rapport Nokia Siemens/ INPT

[6] 3GPP long Term Evolution « Etude de la couche physique et des performances »

Bouygues Télécoms

Page 49: Simulation OFDM sous simulink et étude de la norme LTE

Perspectives ENSA-Marrakech

49 Etude et simulation de la norme LTE par 3GPP : Juin 2012

Perspectives

Multiple Input Multiple Output (MIMO)

Les systèmes d'antennes MIMO jouent un rôle important pour le LTE. Seule l'utilisation

d'antennes intelligentes permet d'obtenir une efficacité du spectre élevée. Contrairement à

l'UMTS, avec le LTE, les systèmes d'antennes MIMO font partie intégrante du système, aussi

bien au niveau de la station de base qu'au niveau du téléphone mobile.

La technologie MIMO permet la transmission parallèle et simultanée de données sur la même

fréquence avec plusieurs antennes au niveau de l'émetteur et du récepteur, ceci peut être

utilisé pour augmenter le gain de diversité et ainsi le rapport porteuse/interférence au niveau

du récepteur.

Plusieurs formes d’applications de MIMO sont prévues pour le LTE: elles peuvent être

cataloguées comme multiplexage spatial, diversité spatiale, formation de faisceaux, ou dans

un mélange adéquat de ces dernières.

Le service utilisé, le débit de données, l'état du canal de télécommunication mobile et les

propriétés du téléphone portable déterminent où et quand une forme de MIMO est utilisé. Le

principe est représenté schématiquement :

- Figure 21 : Principe de la transmission multi-antennes.