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Ya n n i c k B o u g u e n É r i c H a r d o u i n F r a n ç o i s - X a v i e

Ya n n i c k B o u g u e n É r i c H a r d o u i n F r a n ç o i s - X a v i e r W o l f f Pr éfac e d ’A l ain Mal ob er ti LTE et les réseaux 4G S o u s l a d i r e c t i o n d e G u y P u j o l l e © Groupe Eyrolles, 2012, ISBN : 978-2-212-12990-8 3 L’interface radio du LTE Sommaire : Rappels sur le canal radio – Les modes de duplexage définis pour le système LTE (FDD et TDD) – L’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 LTE et 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 de qualité de service (latence, débit) malgré un medium extrêmement variable, tout en optimisant l’accès à une ressource spectrale limitée. En outre, la disponibilité du spectre, variable selon les régions du globe, impose de pouvoir s’adapter à différents types de bandes disponibles. Ce chapitre fournit une vue d’ensemble de l’interface radio du système LTE et constitue une intro- duction aux chapitres 4 à 19 qui décriront plus en détail les couches physique et MAC. La section « Rappels sur le canal radio » (p. 60) commence par rappeler les spécificités du canal radio. La section « Les modes de duplexage » (p. 73) présente ensuite les modes de duplexage définis pour le LTE et les réseaux 4G 60 système LTE. La section « L’architecture 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 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 LTE » (p. 94) décrivent respective- ment 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 sections « Introduction aux traitements d’émission et de réception » (p. 96) et « Synthèse fonctionnelle » (p. 97) fournissent une vue d’ensemble respective- ment des traitements mis en œuvre en émission et réception pour la transmission de données, et des fonctions assurées par les protocoles spécifiés pour l’UE. 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 manière dont les données doivent être mises en forme à l’émetteur afin de se propager dans de bonnes conditions dans le milieu, ainsi que les traitements à mettre en œuvre au récepteur afin de les détecter correctement. Le canal de transmission est donc d’une 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’air. La puissance reçue au récepteur dépend de 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 atténuations supplémentaires viennent s’ajouter du fait des obstacles dans le milieu, qui engendrent des réflexions, diffrac- tions, diffusions et absorptions de l’onde. En particulier, la traversée de murs donne lieu à des pertes additionnelles dites de pénétration. Pour un environnement donné, les pertes de propaga- tion 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 : P(d ) = A + B.log10(d ) (en dB) ; • 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. L’effet de masque varie donc en fonction des déplacements de l’UE, mais cette variation est lente si on la rapporte à la durée d’un intervalle de temps de transmission (qui dure une milliseconde en LTE). L’interface radio du LTE 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 [Jakes, 1994]. Néanmoins, ces variations peuvent aussi augmenter la puissance reçue de quelques décibels. Pour un trajet de propagation dit distinguable (voir plus loin), deux évanouis- sements sont typiquement séparés d’une 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 affec- tent la puissance moyenne du signal et sont relativement invariants 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 régulièrement à mesure que l’UE s’éloigne de l’eNodeB, du fait des pertes de propagation (étapes 1 à 2, puis 4 à 5). 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 une position particulière de l’UE. Le signal est reçu via plusieurs trajets du canal, chaque trajet suivant un chemin particulier en fonc- tion des réflexions, réfractions et diffusions sur les obstacles rencontrés par l’onde. La figure repré- sente 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 temporel 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 à une certaine puissance moyenne, qui dépend du chemin parcouru et des interactions que l’onde a subies avec l’environnement. À 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 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 pouvoir les séparer. Les rayons sont à l’origine 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). LTE et les réseaux 4G 62 Figure 3-2 Évolution de la puissance reçue  en fonction du déplacement  dans l’environnement L’interface radio du LTE CHAPITRE 3 63 Figure 3-3 Trajets multiples et sélectivité en fréquence du canal Évanouissements rapides et diversité La différence uploads/Ingenierie_Lourd/ chap-3-wolff.pdf