Colloque «Télécommunicationsréseaux du futur et services»

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1 Colloque «Télécommunicationsréseaux du futur et services» APOGEE Analyse et optimisation des systèmes d après 3ème GEnEration 02/ / décembre 2010

2 SOMMAIRE 1. Description générale 2. Etudes et simulations 3. Plateforme matérielle 4. Bilan général 2

3 1 Description générale 3

4 1.1 Description générale - Contexte Aujourd hui: Réseaux 3G en complément des réseaux 2G Plus de services, plus de débit et support de la qualité de service Déjà plus de 400 millions d abonnés 3G dans le monde En dépit du déploiement des réseaux HSPA+, congestion rapide anticipée En 2003, lancement du projet IMT-Advanced par l ITU Vision de l ITU des réseaux 4G 1 Gbit/s en voie descendante et 500 Mbit/s en voie montante à faible mobilité Déploiement prévu au mieux vers Besoin de solutions intermédiaires En 2004, le 3GPP lance le projet exploratoire LTE (Long-Term Evolution) Nouvelle interface radio, nouveau réseau cœur Première version publiée fin 2008 (Release 8) Premiers déploiements prévus fin 2010, début 2011 Nécessité de faire évoluer rapidement le standard Vers la 4G (IMT-A) Exploitation des marges inhérentes à un nouveau système 4

5 1.2 Description générale - Objectifs Objectif du projet APOGEE: Contribuer à l évolution du système 3GPP/LTE Focalisation sur la voie montante (UL) Rappel: Voie descendante (DL) traitée dans le cadre du projet RNRT OPUS OPUS APOGEE 3GPP: LTE Study Item LTE Rel. 8 Work Item + CR LTE Rel LTE-A Study Item LTE-A Work Item Rel. 10 Sept: soumission à IMT-A 5

6 1.2 Description générale - Objectifs Deux volets complémentaires 1. Proposition et étude de techniques avancées Niveau lien en voie montante Niveau système en voies montante et descendante 2. Evaluation et validation matérielle Interface air uniquement (MAC et PHY) Validation en situations réelles d une sélection de techniques Retour sur la complexité des futurs équipements 6

7 1.3 Description générale - Organisation Projet ANR de type précompétitif T 0 =1 er février 2008, durée de 26 mois, fin: 03/2010 Budget total du projet : 2.2 M (178 h.m), aide accordée M MERCE Rennes Orange Labs RESA/WIN Rennes TeamCast St Grégoire Supélec Gif-sur-Yvette CEA-LETI Grenoble EURECOM Sophia-Antipolis 7

8 1.3 Description générale - Organisation Découpage du projet SP1: Gestion du projet et spécifications générales SP2: Optimisation des performances du système SP3: Démonstrateur matériel T1.1: Gestion du projet T2.1: Spécifications des algo. (PHY/MAC) (Démonstrateur) T3.1: Specification du démonstrateur T1.2: Définition des scenarii et critères d évaluation T2.2: Dvpt/intégration d un simulateur de référence T3.2: Développement des têtes RF T1.3: Synthèse des activités du 3GPP/LTE T2.3: Etudes d algo. avancés de la couche PHY T3.3: Développement des modules bande de base T2.4: Etudes système T3.4: Développement de la couche MAC APOGEE: MERCE SP1: MERCE SP2: Orange-Labs SP3: MERCE T3.5: Intégration de la voie montante T3.5: Intégration du démonstrateur complet 8

9 2 Etudes et simulations 9

10 2.1 Etudes et simulations - Objectifs Deux objectifs complémentaires Développer un simulateur logiciel de la plateforme matérielle Référentiel des spécifications Calibration des performances Outils pour la validation Conduire l étude de solutions avancées aux niveaux lien et système pour amélioration et l optimisation du standard 3GPP/LTE Renforcement et élargissement de l état de l art Support à la standardisation 10

11 2.2 Etudes et simulations Résultats : Support au SP3 Spécification des algorithmes PHY/MAC de la plateforme matérielle Paramètres du système Spécifications des différents fonctionnalités implémentées dans le simulateur (modulateur, codeur, MIMO, HARQ, RF, ) Développement et intégration de simulateurs de référence pour la plateforme Utilisation de la plateforme Galacsy développée par Orange-Labs Simulateur servant à tester les performances des différentes techniques de la couche PHY implémentées dans le démonstrateur Livraisons de 2 versions : une chaîne de référence V0 conforme aux spécifications de base du démonstrateur (SISO et SIMO) et une chaîne V1 comprenant des spécifications avancées (HARQ, RF, MIMO, SINR). SISO: Single Input Single Output SIMO: Single Input Multiple Output MIMO: Multiple Input Multiple Output HARQ: Hybrid Automatic Repeat request SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio 11

12 2.2 Etudes et simulations Résultats : Support au SP3 Simulateur lien générique SC-FDMA dans ses versions V0 et V1 12

13 2.3 Etudes et simulations Résultats : Etudes avancées Plus de 18 études sur une grande variété de thématiques Etudes fondamentales et appliquées A destination de la standardisation ou à vocation industrielle Vue générale Lien : Codage de canal, entrelacement et allocation de ressources CEA-LETI (1), Orange Labs (2) Lien : Codage multi-antenne EURECOM (5), MERCE (1), SUPELEC (1) Lien : RF TeamCast (1) Système : Stratégie d allocation de ressources CEA-LETI (1), EURECOM (1), SUPELEC (4) Système : Optimisation de la gestion ressources DL/UL SUPELEC (2) Système : Récepteurs avancés Orange Labs (1) 13

14 2.3 Etudes et simulations Exemples d études avancées Diversité d égaliseurs linéaires en MIMO SC-FDMA (EURECOM) Beamforming optimal en OFDMA multi-cell (SUPELEC) R=1bit/symbol Diversité d un canal MIMO sélectif en fréquence L Nt Nr Diversité d un égaliseur linéaire de base : Nr-Nt+1 au lieu de L Nt Nr!!! Avec zero padding + pré-filtrage linéaire : diversité d un égaliseur linéaire ZF L Nr (Nt Nr + 1)! Diversité d un égaliseur linéaire MMSE : - A faible débit : diversité complète! - A haut débit R : diversité du ZF Problème d optimisation des ressources dans un contexte MIMO OFDMA liaison descendante multicellule - Très complexe et optimisation non-convexe Proposition de combiner une structure de beamformer et d allocation de ressources. - Minimisation de la puissance transmise parmi toutes les stations de base sous contrainte d atteinte d un débit usager dans chaque cellule. - ZFBF loin de l optimal surtout à fort débit 14

15 2.4 Etudes et simulations Bilan Objectifs largement atteints Développement d un simulateur de référence pour la plateforme HW Chaîne commune développée par tous les partenaires Stricte conformité entre les plateformes logicielle et matérielle Large exploitation de la chaîne dans le SP3 De nombreuses études avancées Fondamentales et appliquées 34 publications de conférence et 5 articles de revues 3 études en support de la standardisation 3GPP/LTE Orange-Labs : Récepteur Turbo-SIC, clustered SC-OFDM MERCE: Généralisation de la technologie MIMO SC-SFBC Quelques déviations Retard dans la livraison de certains livrables 15

16 3 Plateforme matérielle 16

17 3.1 Plateforme matérielle Objectifs Objectif : Validation expérimentale de technologies avancées destinées aux évolutions du système 3GPP/LTE en voie montante Faisabilité, complexité, démonstrations Moyen : Développement d une plateforme matérielle temps-réel avec transmission radio 2 équipements (1 terminal et 1 station de base) Têtes RF dédiées avec précorrection RF adaptative Multi-antennes (2 Tx, 4 Rx) Couche physique et couche MAC Voie descendante remplacée par un lien filaire 17

18 3.2 Plateforme matérielle Spécifications Basées sur les spécifications du 3GPP/LTE (Release 8) Toutes les fonctions PHY et MAC Transmission des données en RF ou bande de base (lien série sur 10 m) Fonctionnalités de référence Bande de GHz Canal de 20 MHz Modulation SC-FDMA QPSK, 16QAM et 64QAM Turbo code LTE Diversité de réception Jusqu à 70 Mbit/s SIMO: Single Input Multiple Output MIMO: Multiple Input Multiple Output SC-SFBC: Single Carrier Space Frequency Block Code LDPC: Low Density Parity Check DBTC: Duo binary Turbo Code Solutions avancées Couche MAC avancée (EURECOM) - Allocation dynamique - Adaptation de lien Turbo Code duo-binaire (OL) LDPC quasi-cyclique (CEA-LETI) Schéma MIMO SC-SFBC (MERCE) - 2 1, 2 2 and 2 4 Précorrections RF (TEAMCAST) 18

19 3.2 Plateforme matérielle Spécifications CEA-LETI MERCE UE RF front-end Modulation Up-sampling BS RF front-end Demodulation Down-sampling Têtes RF: Basées sur les têtes OPUS + précorrection côté Tx + 4 antennes côté Rx EURECOM CP insertion AGC Timing advance CP removal ORANGE TEAMCAST IFFT Framing Sc mapping SRS estimation Channel estimation FFT De-framing Sc de-mapping ZF FDE (SISO) MRC + ZF (SIMO) MMSE (MIMO) Couche MAC: Basée sur openair + adaptation au LTE + portage sur 2 cibles MIMO encoding LLR computation DFT Mapping Channel interleaving HARQ-Tx IDFT Soft de-mapping Channel de-interl. HARQ-Rx Terminal: Carte spécifique FPGA+ASIC+processeur Intégré dans un boîtier dédié Rate matching Channel encoding Scrambling CRC insertion L1/L2 interface LTE TC Duo-binary TC LDPC Rate de-matching Channel decoding De-scrambling CRC checking L1/L2 interface Station de base: Carte du commerce FPGA+processeur Intégré dans un PC UE MAC layer L1/L2 control signaling BS MAC layer 19

20 3.3 Plateforme matérielle Résultats Ecran de contrôle Bande de base Tête RF Tx PC applications Toutes les fonctions intégrées - MIMO SC-SFBC (2x2) - code avancé LDPC - code avancé DBTC Déviation - Processeur ARM défectueux - Pas de couche MAC 1 FPGA Xilinx Virtex 5 lx220 +Interfaces 2 voies GHz BW=20 MHz -10 à +16 dbm Précorrections RF 20

21 3.3 Plateforme matérielle Résultats Tête RF Rx Bande de base Ecran de métrologie PC applications MAC (PPC) PHY (FPGA) 3 FPGA Xilinx Virtex 4 lx160 1 FPGA Xilinx Virtex pro vp50 +Interfaces Carte AGC Toutes les fonctions intégrées - MIMO SC-SFBC (2x2) - décodeur avancé LDPC - décodeur avancé DBTC - MAC (partiel) - Métrologie Déviation -2 voies de réception sur 4 4 voies GHz BW=20 MHz -80 à -20 dbm 21

22 3.3 Plateforme matérielle Résultats Plateforme complète intégrée et fonctionnelle Temps-réel, transmission radio à 2.48 GHz Data par voie radio et signalisation par Ethernet 1 terminal APOGEE + 1 terminal MERCE (support de la couche MAC) Transmission radio de 2 vidéos en simultané Station de Base Terminal 22

23 3.3 Plateforme matérielle Résultats Toutes les fonctionnalités intégrées ont été évaluées Evaluation de performances en termes de BER et PER Comparaison avec les résultats de la chaîne de simulation Mesures en bande de base et RF Emulation de canaux fixe (notch) et variable (3GPP/SCM-B) sur FPGA Ecart de 1-2 db Fonctions calibrées SC-FDMA LTE TC Slot-hopping HARQ Diversité de réception MIMO SC-SFBC Turbo Code duo-binaire LDPC non binaire Précorrection RF 23

24 3.4 Plateforme matérielle Bilan Objectifs du SP3 globalement atteints Sélection et développement de 5 solutions avancées 1 par partenaire SP3 Plateforme APOGEE développée, intégrée et fonctionnelle Support du temps-réel, transmission radio à 2.4 GHz avec antennes multiples Plateforme intégrée conformément au calendrier Performances mesurées Rappel : Contrainte imposée au montage du projet Validation d une transmission à 2.5 bit/s/hz Quelques déviations Délai dans la production des livrables Support de 2 antennes sur 4 en réception (limitation matérielle) Couche MAC partiellement intégrée (problème matériel) Retard dans la phase de mesures (plateforme exploitée dans WINNER+) 24

25 4 Bilan général 25

26 4 Bilan Points forts Une forte activité de recherche en support de la standardisation LTE Plus de 18 études au niveau lien et système Support directe à 3 contributions 3GPP/LTE Une plateforme matérielle versatile pour l évaluation de solutions LTE 5 fonctions avancées intégrées et validées (1 partiellement) Outil flexible pour l évaluation temps réel de performances Une plateforme de simulation logicielle de niveau lien flexible et performante Une collaboration étroite et fructueuse Une large dissémination 39 publications internationales, 1 site Web Démonstration de la plateforme aux conférences FNMS et CELTIC

27 4 Bilan - Retombées Plateforme matérielle exploitée dans de nombreux projets CELTIC WINNER+, IST ARTIST 4G, IST BEFEMTO, ANR M3 De nombreuses solutions technologiques disponibles pour les constructeurs et les futures versions du standard LTE Acquisition et renforcement de compétences sur les technologies clés des réseaux cellulaires Aide à la prise de décision pour l opérateur historique Briques technologiques matérielles Décodeur MIMO, DFT, précorrection RF, décodeurs canal avancés Acquisition d expertise dans le développement de têtes RF MIMO 27

28 MERCI DE VOTRE ATTENTION QUESTIONS? 28

29 2.2 Etudes et simulations Support au SP3 29