UMTS
Plan
Introduction
Services
Fréquences
Passage à l’UMTS
Interface UTRA
W-CDMA
-1-
Le monde des mobiles
WORLD MOBILE
MILLIONS OF
SUBSCRIBERS SUBSCRIBERS
2500'
2000'
1500'
REST OF
WORLD
ASIA
PACIFICAMERICA
NORTH
1000'
EU15
500'
0'
1995 2000 2005 2010 2015
(SOURCE: UMTS FORUM)
-2-
VISION IMT2000
IMT-2000
The ITU vision of global wireless access
in the 21st century
Global
Satellite
Suburban Urban
In-Building
Picocell
Microcell
Macrocell
Basic Terminal
PDA Terminal
Audio/Visual Terminal
-3-
UMTS
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
GSM GSM
DECT ISDN
ISDN B-ISDN
B-ISDN TCP/IP
UTRA UMTS
-4-
Réseau d’accès Réseau de transport
UMTS
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
-5-
3GPP
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
-6-
UMTS
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
-7-
UMTS/IMT2000
-8-
UMTS
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
-9-
Architecture
User
Equipment
Uu
UTRAN Iu
Core
Network
-10-
Architecture
PST N Gi Gp
GMSC GGSN
AuC
Gc
C H
HLR Gn
PSTN PSTN
Gr
D EIR
F Gf
G
VLR VLR
Gs
B B SGSN
MSC MSC
E
CN
A IuCS IuPS IuCS IuPS Gb
BSS RNS RNS BSS
Iur
BSC RNC RNC BSC
Abis Iubis Iubis Abis
BTS BTS Node B Node B Node B Node B BTS BTS
Um Uu Um
ME
SIM-ME i/f or Cu
SIM USIM -11-
MS
UTRA
FDD W-CDMA
UP
10ms
DOWN
.
.
.
-12-
UTRA
TDD TD-CDMA
-13-
UTRA
UMTS Terrestrial RAdio interface
Critère de Mode FDD W-
comparaison CDMA Mode TDD TD/CDMA
•W-CDMA en FDD Déploiement et
pour les bandes couverture grandes cellules petites cellules
Services services mode paquet,
appairées
supportés symétriques asymétrique
Contrôle de
puissance contrôle rapide contrôle lent
•TD-CDMA en Transfert
TDD pour les intercellulaire soft handoff handoff normal
Complexité du débit chip - nombre de codes -
bandes non
terminal multipath multipath
appairées Synchronisation
entre stations de pas de
base synchronisation synchronisation
en fonction du plan de fréquence - ne
trafic - pas de plan varie pas en fonction
Planification de fréquence du trafic
-14-
UTRA
Accès multiple DS-CDMA TDMA et CDMA
Duplex FDD TDD
Débit chip 3,84 Mchip/s 3,84 Mchip/s
10ms (16 IT par
Durée de trame 10 ms trame)
facteur
d'étalement
variable et multi IT et
Débit variable multicode multicode
convolutionnel
Codage (1/2 -1/3) convolutionnel
-15-
W-CDMA
pas de plan de fréquence ni de réutilisation
niveau de puissance dépend du service
transfert de paquets sur canaux dédiés ou
communs
-16-
W-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
-17-
W-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)
-18-
W-CDMA
Canaux logiques - canaux physiques
Transport Channels Physical Channels
DCH Dedicated Physical Data Channel (DPDCH)
Dedicated Physical Control Channel (DPCCH)
RACH Physical Random Access Channel (PRACH)
CPCH Physical Common Packet Channel (PCPCH)
Common Pilot Channel (CPICH)
BCH Primary Common Control Physical Channel (P-CCPCH)
FACH Secondary Common Control Physical Channel (S-CCPCH)
PCH
Synchronisation Channel (SCH)
DSCH Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)
Acquisition Indication Channel (AICH)
Page Indication Channel (PICH) -19-
W-CDMA, Downlink
DPDCH DPCCH DPDCH DPCCH
Data1 TPC TFCI Data2 Pilot
Ndata1 bits NTPC bits NTFCI bits Ndata2 bits Npilot bits
Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..7)
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
One radio frame, Tf = 10 ms
SF = 256/2k SF = 4..256
TPC = Transmit Power Control
TFCI = Transport Format Combination Indicator (Rate Information)
-20-
W-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)
Cos(wt)
I
P(t)
DPDCH/DPCCH cch
S -> P cscramb
Sin(wt)
Q
P(t)
-21-
W-CDMA, Downlink
Orthogonal Variable Spreading Factor
c4,1 1,1,1,1
La longueur du code n’est pas fixe
Elle dépend du SF et du débit c2,1 1,1
c4, 2 1,1,1,1
c1,1 1
c4,3 1,1,1,1
c2, 2 1,1 c4, 4 1,1,1,1
SF = 1 SF = 2 SF = 4
-22-
W-CDMA, Uplink
Data
DPDCH Ndata bits
Pilot TFCI FBI TPC
DPCCH Npilot bits NFBI bits NTPC bits
NTFCI bits
Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..6)
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
1 radio frame: Tf = 10 ms
SF = 256/2k SF = 4..256
TPC = Transmit Power Control
TFCI = Transport Format Combination Indicator (Rate Information)
FBI = FeedBack Information -23-
W-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)
cD Cos(wt)
DPDCH I Real
Cscramb P(t)
I+jQ (long ou court)
cC Sin(wt)
DPCCH Q Imag
*j P(t)
-24-
W-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
-25-
W-CDMA
256 chips
Data
(Tx OFF)
18 bits
Tslot = 2560 chips , 20 bits
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
1 radio frame: Tf = 10 ms
TFCI Data Pilot
NTFCI bits Ndata bits Npilot bits
Tslot = 2560 chips, 20*2k bits (k=0..6)
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
1 radio frame: Tf = 10 ms -26-
W-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
-27-
W-CDMA
Time Outer Inner DPDCH#1
MUX coding/interl. coding/interl. DPDCH#2
Parallel
service
Time
MUX Time .
.
MUX .
DPDCH#N
Coding/ DPDCH#1
interleaving
Parallel
service
Coding/ DPDCH#2
interleaving
.
.
.
Coding/ DPDCH#N
interleaving
-28-
W-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)
-29-
Exemple
Trafic de 8 Kbps
Data (80 bits) CRC (8) Tail (8)
Conv. Taux 1/3, Longueur = 9
3*96 = 288 bits
Unequal repetition (9/10)
288*10/9 = 320 bits 32 Kbps DPDCH
-30-
Exemple
Trafic de 144 Kbps
Data (1440 bits)
RS, taux = 180/225
Data (1800 bits) Tail (8)
Conv. Taux 1/3, Longueur = 9
3*1808 = 5424 bits
Code puncturing (339 -> 320)
5424*320/339 = 5120 bits 512 Kbps DPDCH
-31-
Exemple
Trafic de 480 Kbps
Data (300 bits) CRC + SN (12 bits) Tail (8) 16 blocks par trame
Conv. Taux 1/2, Longueur = 9
16*2*320 = 5424 bits 1024 Kbps DPDCH
Trafic de 2.4 Mbps
Data (300 bits) CRC + SN (12 bits) Tail (8) 80 blocks par trame
Conv. Taux 1/2, Longueur = 9
80*2*320 = 51200 bits 5*1024 Kbps DPDCH
-32-
W-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
Preamble
P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15
256 chips -33-
RACH
radio frame: 10 ms radio frame: 10 ms
5120 chips
#0 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14
Access slot #0 Random Access Transmission
Access slot #1 Random Access Transmission
Access slot #7 Random Access Transmission
Access slot #8 Random Access Transmission
Access slot #14
Preamble Preamble Preamble Message part
4096 chips
10 ms (one radio frame)
Preamble Preamble Preamble Message part
4096 chips 20 ms (two radio frames)
-34-
W-CDMA
Data
Data Ndata bits
Pilot TFCI
Control Npilot bits NTFCI bits
Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..3)
Slot #0 Slot #1 Slot #i Slot #14
Message part radio frame TRACH = 10 ms
Pj Pj
P1 Message Part
P0
4096 chips
0 or 8 slots N*10 msec
Access Preamble DPCCH
Collision Resolution DPDCH
Preamble
-35-
W-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
-36-
W-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
-37-
W-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
-38-
W-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)
-39-
W-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
Slot #0 Slot #1 Slot #14
Primary
SCH acp acp acp
Secondary i,0 i,1 i,14
SCH acs acs acs
256 chips
i est le numéro du 2560 chips
Scrambling Group One 10 ms SCH radio frame
1..64 -40-
W-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
BSi BSj
-41-
W-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
-42-
W-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
-43-
W-CDMA
Softer handover
Inter-frequency handover
Mode sloté
-44-
W-CDMA
Couche RLC/MAC
service temps réel ou non
contrôle d’erreur (ARQ)
-45-
W-CDMA
Mode paquet : trois méthodes
-46-