Bureau d étude Dimensionnement d interface radio pour réseaux mobiles Cours de restructuration

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1 Bureau d étude Dimensionnement d interface radio pour réseaux mobiles Cours de restructuration 4 ème année IR Alexandre Boyer alexandre.boyer@insa-toulouse.fr avenue de Rangueil Toulouse cedex 4 Tel : Fax :

2 Exigences interface radio LTE (release 8) Faible latence (moins de 5 ms avec BP = 5 MHz) BP scalabilité (1.4 à 20 MHz) Peak data rate : > 150 Mbps en downlink, > 50 Mbps en uplink Orienté Packet switching Coexistence avec d autres services (2G, 3G) Consommation énergétique réduite Déploiement simplifié, réduction de la complexité des terminaux

3 Classes d application Numéro Applications Débit visé 1 VoIP kbps (160 ms max pour latence) 2 Streaming (music, video) 5 kbps 2 Mbps 3 Web browsing 10 kbps 2 Mbps 4 Media content download > 2 Mbps

4 Dimensionnement et planification détaillée Dimensionnement : Phase initiale de planification d un réseau. Elle fournit la première estimation du nombre d éléments constituant le réseau (cœur et d accès) et la capacité attendue. Dans le contexte d un réseau cellulaire, le but est l estimation du nombre de BTS radio pour supporter la charge de trafic dans une zone donnée, ainsi qu une première hypothèse sur les configurations du réseau. Planification détaillée : optimisation des paramètres du réseau. Basé sur un processus itératif avec les étapes suivantes : Design Synthèse Réalisation et tests

5 Dimensionnement (LTE) Paramètres d entrée : zone à couvrir, trafic attendu, QoS requis, fréq dispo, BP allouée, sites dispo, équipements dispo Objectifs : Couverture radio (zone à couvrir) QoS Trafic (capacité) Sorties : Tailles de cellule (pour assurer couverture, capacité, QoS) Nombre de sites Evaluation des infrastructures réseau (cœur et d accès) Config HW/SW

6 Dimensionnement (LTE) Démarche proposée Critère pour la déf du bord de cellule : Throughput visé, couverture max Param système : puissance, BW, fréq, antennes Pourcentage couverture, marges Simulation niveau lien (MCS vs SNIR) Données trafic (prévision nombre d utilisateurs) Link budget Path loss max Estimation couverture Estimation capacité Nb sites à déployer pour assurer couverture Modèle de propagation Capacité par e-nodeb Nombre de sites à déployer pour assurer couverture et capacité Config réseau HW/SW

7 SNIR Signal to Noise plus Interference Ratio Principal indicateur de qualité de signal SNIR S N + = NoiseRise( db) = I( dbm) N( dbm) I I = I own + I other

8 SNIR Le débit est lié au SNIR (adaptation modulation et codage afin de limiter le BLER) Estimation du MCS vs. SNIR par des simulations au niveau lien Throughput (kbp ps / RB) Uplink Downlink SIMO Downlink Tx Div Downlink (2x2 OL-MIMO) SNIR (db)

9 Marges d interférence : compense le noise rise lié aux interférences Marges Marges d environnement : compense l atténuation aléatoire apportée par le canal hertzien (fading lent et rapide) Dans le BE, on ne considère que le fading lent, modélisé par une loi log-normale Fading de Rayleigh Champ électrique (dbµv/m) Modèle terrain plat λ 20 Masquage des immeubles fading lent Distance (km) ou rapide 10λ Fading lent ou log normal (σ = 5 à 7 db en environnement urbain) : p LN ( x) 10 exp 2 σ 1 ( x β ) = 2πσ 2 2 LN Fading rapide ou de Rayleigh (σ = 5 à 12 db en environnement urbain) : p R ( x) 2 x x exp 2 σ R 2σ R = 2 LN 2

10 MIMO (Multiple In Multiple Out) Basé sur un réseau d antennes à l émission et la réception Amélioration du SNIR et/ou du débit Exploite la propagation multitrajet création de signaux décorrélés 3 catégories : Diversité spatiale (même signal transmis aux différentes antennes, amélioration du SNIR) Mux spatial : message découpé et transmis sur différentes couches spatiales (amélioration du débit) Beamforming : contrôle du diagramme de rayonnement (amélioration de la couverture, réduction des interférences entre cellules)

11 MIMO (Multiple In Multiple Out) En LTE, différents modes sont prévus : Single antenna (SISO, SIMO) : transmission sur une antenne, réception sur une ou plusieurs antennes (diversité) Diversité de transmission Open loop spatial Mux : une couche spatiale par antenne, pas de feedback entre émetteur et récepteur Closed loop spatial Mux : une couche spatiale par antenne, feedback entre émetteur et récepteur pour mieux séparer les différents flux de données

12 Estimation de la capacité Capacité moyenne d une cellule? BTS UE1 SNIR 1 = 32 db Débit C 1 = 1336 kbps/rb r 2 UE2 SNIR 2 = 13 db Débit C 2 = 534 kbps/rb UE3 SNIR 3 = 2 db Débit C 3 = 150 kbps/rb Répartition aléatoire des utilisateurs Lien downlink (2x2 MIMO) Capacité de la cellule dépendante de la répartition des utilisateurs.

13 Estimation de la capacité Loi de répartition des utilisateurs? Considérons une cellule circulaire de rayon Rc Densité de probabilité (ddp) de la répartition spatiale des utilisateurs (distance r à la BTS) : ddp f r 2r ( r) 2 f = r R C 2/Rc 0 Rc r

14 Estimation de la capacité Lien avec la capacité SNIR (db) Bilan de liaison + modèle de propag Throughput (kbps/rb) C max C min Rc r Rc r ddp capacité f c ddp f r Loi de répartition utilisateurs C min Throughput C max Rc r C C = max xc C min f C ( x ) C dx C

15 Nokia Siemens Networks, «LTE performance for initial deployments», White paper, 2009 Mesure du débit d une cellule en DL en fonction de la position (véhicule en mouvement) Environnement urbain/suburbain Fc = 2.6 GHz, BP = 20 MHz, TX DL = 40 dbm, 2x2 MIMO, htx = 30 m Distance to BTS = m Estimation de la capacité Distance to BTS = m