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Hsupa couche physique

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par Didace KETA-WAPOUTOU
ParisTech - Master spécialisé 2007
  

Disponible en mode multipage

Présentation High Speed Uplink Packet Access:

Couche Physique

Didace KETA-WAPOUTOU-TEKONI

didace@cooperation.net

High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) encore appelé Enhanced UpLink (EUL) est une évolution de la norme de réseau mobile UMTS (Universal Mobil Telecommunications System) définie dans la « Release 6 » de 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Ce protocole de transmission pour les réseaux mobiles offre un débit élevé dans le sens montant permettant ainsi des communications en temps réel entre un système sur réseau fixe et un autre sur réseau mobile. Dans les « Release » précédents (R99 et R5), le débit dans le sens descendant a été amélioré passant de 2 Mbit/s à 10 Mbit/s. Ainsi avec l'augmentation de débit dans le sens montant, on s'approche du concept « all-in-one » c'est-à-dire avoir un téléphone fixe-mobile-internet.

Cette amélioration vient d'un certain nombre de concept tels que : une retransmission rapide (Hybrid Automatic Repeat reQuest), un ordonnancement rapide des paquets, une transmission multicode, une attribution absolue et relative de puissance de transmission, un intervalle de temps (TTI) de 2 ou 10ms, un support de softhandover et l'implantation de deux nouvelles couches protocolaires.

1. Canaux radio HSUPA

Le HSUPA introduit de nouveaux canaux de transport et physiques : Enhanced Uplink Dedicated Channel (E-DCH), Enhanced Dedicated Physical Data Channel (E-DPDCH), Enhanced Dedicated Physical Control Channel (E-DPCCH), Enhanced HARQ Indicator Channel (E-HICH) et Enhanced Absolute/ Relative Grant Channel (E-AGCH/RGCH).

Un User Equipemnt HSUPA se voit allouer, pour une durée déterminée, un canal de transport (dédié) dans le sens montant E-DCH qui est utilisé pour transmettre des paquets en fonction des règles établies par l'ordonnanceur de paquets.[HoTo06]

1.1 E-DPDCH

Au niveau de la couche physique, le canal physique E-DPDCH support le canal de transport E-DCH et transporte les PDU (Packet Data Unit) de types MAC-e (Medium Access Control-enhanced) en provenance des couches supérieures. Il est transmis avec un facteur d'étalement variable de SF 2 à SF 256 ce qui correspond à des débits s'étalant de 1920 à 15 Kbit/s (Tableau 3).

La chaîne de codage du canal physique E-DPDCH est donnée par la figure 1 a):

Block Transport

 
 
 
 
 
 

E-DCH

 
 
 
 
 
 

Insertion Bits CRC (24 bits)

 
 
 
 
 

Segmentation de Blocs de Transport

 
 
 
 
 

Codage Canal (taux:1/3)

Xtfci1 Xtfci7 Xrsn1 Xrsn2 Xh,1

HARQ/ Rate Matching

Segmentation Canal Physique

Entrelacement et mapping
canal physique

E-DPDCH..n

E-DPDCH..1

Multiplexage

Codage Canal

Mapping Canal
physique

E-DPCCH

Figure 1: a) Chaîne de codage E-DPCH b) Chaîne de codage E-DPCCH [HoTo06] [TS25.211]

La couche physique reçoit un bloc de transport provenant de la couche MAC. A ce bloc, on y ajoute un CRC (Cyclic Redundancy Check) de 24 bits pour détecter des erreurs de transmission par ajout de redondance. La Segmentation de Blocs de transport permet de disposer les bits issus du bloc CRC de façon à ne pas dépasser la taille maximale de bloc Codage Canal. Cette taille est de 5114 bits pour un codage-turbo et 504 bits pour un codage convolution. Dans le boc Codage Canal, on utilise un codage turbo à taux 1/3 pour E-DCH et/ ou une convolution à taux 1/2 pour un DCH (Release 99). L'entrelacement est une technique qui permet d'obtenir une forme de diversité temporelle et d'éviter ainsi des erreurs en rafale. Il consiste à mélanger une séquence de bits en émission, de façon à étaler les erreurs pendant la transmission et rendre plus aléatoire leurs propriétés statistiques. L'information est ensuite repartie sur le ou les canaux physiques selon qu'il s'accommode aux trames de 2 ou 10 ms et respectant la QoS requise par le service.

1.2 E-DPCCH

Le canal physique E-DPCCH transport la signalisation de la couche physique associée au canal E-DPDCH. Il est transmis avec un facteur d'étalement fixé à SF 256 soit 10 bit par intervalle de temps W-CDMA (Wideband Code Division Multiplex Access) et un débit de 15 Kbit/s. La signalisation associée est composée des informations Enhanced Transport Format Combination Indicator (E-TFCI), qui identifient la taille du bloc de transport sur le canal E-DPDCH, du numéro de séquence de retransmission RSN, qui est utilisé par le processus HARQ, et d'un indicateur de satisfaction appelé le « happy bit », qui est utilisé pour l'ordonnancement rapide (Figure b). Le codage canal est fait par une combinaison avec un sous code du second ordre du code de Reed-Muller.

E-DPDCH

Données

 
 

Intervalle de temps W-CDMA = 1TS = 666 jts ? 2 560 chips

E-DPCCH

 

Signalisation (10 bits): E-TFCI, RSN, «Happy bit»

TS1

TS2

TS3

TS1

TSi

Sous trame = 3TS = 2ms

Trame radio W-CDMA = 15TS = 10ms

Figure 2 : Structure de la trame E-DPDCH et E-DPCCH [TS25.211][TS25.212]

1.3 E-AGCH/RGCH

Le principe de ces deux canaux est d'indiquer la ressource disponible pour la charge montante (Uploading) par le biais de ces porteurs d'information. Les « Grants » peuvent être envoyés à une cadence pouvant atteindre la fréquence du TTI.

L'E-AGCH : Absolute Grant Channel fournit la valeur limite du volume maximal de charge montante que l'UE dispose à l'instant t. Ce type de Grant est délivré par la cellule serving E-DCH. Il est constitué de l'identité (16 bits) de l'UE (ou du groupe d'UE) pour lequel le « grant » est destiné, du rapport maximum de puissance que le ou les UE est (sont) autorisé(s) à utiliser (5 bits) et d'un bit d'état indiquant si le primary Absolute Grant (celui reçu par le E-RNTI primaire) active ou désactive un ou tous les process HARQ

(respectivement dans le cas où le TTI vaut 2 ms ou 10ms). Le Primary/Secondary Absolute Grant est une notion directement liée à l'attribution possible de deux identités (E-RNTI) simultanés au UE à un temps donnés. L'allocation est effectuée au niveau du Node B et est envoyé par le noeud Serving RNC dans le RRC. Il est transmis à SF 256 dont voici le schéma de codage.

Xagv1 .... Xagv5 Xags1

Multiplexage

Insertion CRC
ID Spécifique

Codage Canal

Adaptation de debit
(Rate matching)

Mapping canal
physique

E-AGCH

Figure 3 : Chaîne de codage E-AGCH [HoTo06][TS25.212]

Le codage canal est fait avec un codage convolutionel de taux 1/3.

L'E-RGCH : Relative Grant fournit la variation de volume maximal de charge montante (Uploading) que l'UE dispose à l'instant t. Le RGCH peut être reçu en provenance d'un Non-serving RNC. Le canal E-RGCH est transmis à un débit fixe correspondant à un facteur d'étalement SF 128.

1.4 E-HICH

Ce canal physique descendant est utilisé par le mécanisme HARQ situé dans le Node B afin d'envoyer aux UEs des acquittements positifs (ACK) ou négatifs (NACK) des blocs reçus à chaque TTI. Le canal E-HICH est transmis à un débit fixe correspondant à un facteur d'étalement SF 128.

Signalisation (40 bits pour HICH et E-RGCH ou 20 bits pour E-AGCH

- - -

Tslot = 2560 chip soit Intervalle de temps WCDMA =1TS

Slot #0

Slot #i

Slot #14

Slot #1

Slot #2

1 Sous trame = 2 ms=3TS

1 Trame radio, Tt =10ms = 15 TS
Figure 4 : Structure de la trame E-HICH, RGCH et E-AGCH [TS25.211]

2. Medium Access Control (MAC) HSUPA

La couche de contrôle d'accès au medium (MAC) en HSUPA comprend trois parties: la couche MAC-d, la couche MAC-e et la couche MAC-es. Les couches MAC-e et MAC-es assurent respectivement la gestion des données transmises sur le canal de transport E-DCH, la sélection améliorée de combinaison de format de transport, la gestion des retransmissions rapides HARQ et la gestion de la macro diversité au niveau du mobile.

Dans le Node B, elles assurent respectivement le contrôle d'accès au canal physique (via l'ordonnanceur de paquets), la gestion des retransmissions rapides et la gestion de la macro diversité en combinant les flux montants issus de différents Node B.

MAC-d dans RNC

Flux MAC-d

Réarrangement (MAC-es dans
RNC

 

Flux MAC-d

MAC-e in BTS

E-DCH

E-DCH couche physique
dans Node B

E-DPDCHs

Figure 5 : Flux de données Utilisateur vers la couche MAC [HoTo06][TS25.141]

3. Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ)

L' Hybrid Automatic Repeat request se base sur la diversité temporelle et permet, en cas de paquet erroné, de fusionner celui-ci avec le paquet retransmis ultérieurement suite à une demande de répétition (Figure 6). Le HARQ peut être caractérisé par certains paramètres tels que la synchronisation, l'adaptabilité ainsi que la manière dont est faite la combinaison. Quand la relation temporelle entre la transmission originale et la (ou les) retransmission(s) est fixe, l'opération HARQ est dite alors « synchrone ». En revanche, lorsque les retransmissions sont programmées à n'importe quel moment après avoir reçu un ACK, on parlera alors d'opération « HARQ asynchrone ». On dit qu'un système HARQ est adaptatif si on peut réaliser des retransmissions en utilisant un autre type de modulation autre que celui qui a été utilisé pour la transmission originale [RHa06].

L'HSUPA est un système non adaptatif car il utilise le même type de modulation. L'exécution de la fonctionnalité HARQ en Uplink se fait grâce deux type d'informations :

- ACK/NACK transmis sur le lien descendant du E-HICH par chaque cellule de l'Active Set E-DCH : état du décodage (succès ou non) de la transmission montante. Il permet d'indiquer s'il y retransmission ou transmission d'une nouvelle information.

- RSN : transmis sur l'E-DPCCH, il est utilisé pour transmettre le numéro de transmission montante HARQ. Après chaque TTI, l'entité HARQ doit demander au process HARQ de retransmettre les données si le buffer du process HARQ correspondant au prochain TTI est vide et notifier à l'entité de sélection E-TFC que le prochain TTI est disponible pour une nouvelle transmission.

E-HICH
14-16 ms 5.5-7.5 ms

DL

 
 
 
 
 
 
 
 

ACK/NACK

8 ms

E-DPCCH E-DPCCH

E-DPDCH E-DPDCH

UL

10 ms 30 ms (3 TTIs) 1ere retransmission

Figure 6 : Timing HARQ Process avec TTI= 10ms [HoTo06]

4. Principe Soft handover

Contrairement à l'HSDPA, l'HSUPA peut supporter la macro diversité (soft handover). Ainsi, un terminal mobile HSUPA transmet des données et reçoit de la signalisation à la fois d'une « cellule serveuse » rattachée au « RNC serving » ou bien à un autre Node B. Lorsque le terminal mobile se trouve en situation de macro diversité, il doit écouter les canaux E-HICH et E-RGCH des cellules vers lesquelles il transmet des blocs de données. Le mobile choisit comme débit le minimum des débits proposés par les deux Nodes B, pour ne pas faire dépasser le « Noise Rise » sur l'une des deux cellules. Au niveau

HARQ, il suffit d'un ACK d'un seul des deux Nodes B pour que le mobile considère que le paquet envoyé a été bien reçu.

Ainsi, le « RNC serving » reçoit plusieurs PDU de type MAC-es associées aux mêmes données transmises. Il se charge alors de les combiner et de les réordonner afin de transmettre la PDU de type MAC-d aux couches supérieures.

Node B serving
(MAC-e)

NodeB (MAC-e)

E-AGCH (AG, radio des puissances max

E-RGCH (RG, ajustement de la puissance « HOLD/DOWN »)

PDU de type

RNC serving
(MAC-d et MAC-

es)

PDU de type

E-RGCH (RG, ajustement de la puissance: UP HOLD/DOWN)

E-DPCCH (E-TFCI, RSN, happy bit) E-DPCCH (E-TFCI, RSN, happy bit)

E-DPDCH (bloc de données) E-DPDCH (bloc de données)

E-HICH (ACK/NACK) E-HICH (ACK/NACK)

Figure 7 : Situation de Soft handover

5. Transmission couche physique

La figure suivante illustre la chaîne de codage des canaux physiques Uplink et Downlink. Les bits véhiculés par les canaux de transport sont agencés sur les canaux physiques. Une fois qu'ils sont présents dans ces canaux, ils subissent des traitements du signal spécifiques pour pouvoir être transmis à travers l'air. Auparavant, les bits sont convertis en symboles et subissent l'opération d'étalement de spectre qui va les transformer en chips. Ce sont ces chips qui sont transmis par l'antenne de l'émetteur après être modulés et placé sur une fréquence porteuse. Les fonctions inverses sont mises en place à la réception. En HSUPA, la transmission d'un canal de transport E-DCH donne lieu à un canal physique de contrôle associé (E-DPCCH) à un ou aux canaux physique(s) de data (E-DPDCH). Ces deux canaux sont codés différemment et multiplexés ensuite pour être transportés dans un seul lien radio. Chaque de traitement joue un rôle soit de protection des bits à transmettre face au canal de propagation soit de détection d'erreurs de transmission soit d'augmenter la diversité temporelle vis-à-vis des évanouissements.

E-RGCH

ACK/NACK
Up/Down/Hold

HSUPA : Couche Physique

Données Couche Supérieure

Insertion CRC
24 Bits

Segmentation
de block de
transport

Codage Canal

FonctionnalitéHARQ

Segmentation
Canal
physique

Entrelacement

Mapping
canaux

Spreading,
Scrambling et
paramètres RF

Codage canal

Mapping canaux
physiques

Spreading,
Scrambling et
paramètres RF

Multiplexage

Insertion CRC
ID Spécifique

Décodage Canal

Désadaptation de
débit (Rate

De-mapping canal
physique

Spreading,
Scrambling et
paramètres RF

Spreading,
Scrambling et
paramètres RF

DCH De-Coding
Chain (Release 4 &5)

Multiplexage

Mobile Node B

Canal de propagation

TFCI

Chaîne codage DCH
(Release 4 &5)

Happy Bit

Multiplexage

De - Mapping
canal physique

De-Spreading, De-Scrambling
et paramètres RF

Didace KETA-WAPOUTOU-TEKONI 10

RSN

E-DPCCH

Happy Bit

TFCI

Canal de propagation

Xagv1 .... Xagv5 Xag

E-HICH/E-RGCH

Démultiplexage

Décodage canal

De-Mapping canaux
physiques

Dés
entrelacement

De-Mapping
canaux
physiques

E-DCH

Données Couche Supérieure

Insertion CRC
24 Bits

FonctionnalitéDe-HARQ

ACK/NACK
Up/Down/Hold

Codage Canal

Mapping canal
physique

Xag

Xagv1 .... Xagv5

Détection et Démodulation

Détection et Démodulation

Décodage Canal

Démultiplexage

RSN

Décodage Canal
(Turbo décodeur)

De segmentation
Canal physique

Multiplexage

Insertion CRC
ID Spécifique

Codage Canal

Adaptation de debit
(Rate matching)

Mapping canal
physique

Les codes orthogonaux de Walsh-Hadamard [SaTh01] sont utilisés pour identifier les utilisateurs dans une cellule, et comme chaque code représente un canal, ils sont appelés « codes de canalisation » ou « channelization codes ». La longueur du code (appelé aussi facteur d'étalement) est variable et est fonction du type de service. Il est à souligner que les signaux étalés des utilisateurs sur la voie descendante gardent leur orthogonalité car ils sont transmis alignés dans le temps par le Node B. En revanche, sur la voie montante, chaque utilisateur possède un ou plusieurs code(s) de canalisation et un code d'embrouillage. Le code de canalisation est aussi un code de Walsh-Hadamard et le code d'embrouillage peut être un code dit « long » de la famille des codes de Gold ou « court » de la famille des codes périodiques étendus dans S(2) [SaTh01]. Le choix de ces codes de canalisation nommément appelé « Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) » qui préserve l'orthogonalité entre les différents « Spreading Factor »se fait suivant les conditions définies par le tableau 1.

Nmax-dpdch

E-DPDCHk

Code Canalisation Ced,k

0

E-DPDCH1

Cch,SF,SF/4 if SF = 4
Cch,2,1 if SF = 2

E-DPDCH2

Cch,4,1 if SF = 4
Cch,2,1 if SF = 2

E-DPDCH3
E-DPDCH4

Cch,4,1

1

E-DPDCH1

Cch,SF,SF/2

E-DPDCH2

Cch,4,2 if SF = 4
Cch,2,1 if SF = 2

Tableau 1: code de canalisation pour E-DPDCH [TS25.141]

c e d , 1 â e d ,1 iq e d , 1

.

.

.

.

iq e d , k

E - D P D C H k

.

I+ jQ

.

.

iq e d , K

S e-dpch

.

iq e c

c e c â e c

E - D P D C H 1

Ó

c e d , k â e d ,k

c e d , K â e d ,K

E - D P D C H K

E - D P C C H

Figure 9: Spreading pour E-DPDCH et E-DPCCH [TS25.213]

La transmission de plusieurs services en parallèle dotés de débits différents ou d'un débit élevé est accomplie en accommodant un ou plusieurs E-DCH dans un ou plusieurs E-DPDCH. Cette accommodation se fait en répartissant les canaux suivant que les canaux paires sur la voie I et les canaux impairs sur la voie Q ceci dans le but de pouvoir former des symboles dont le débit est deux fois inférieur au débit bits.

Nmax-dpdch

HS-DSCH
configured

E-DPDCHk

iqed,k

0

No/Yes

E-DPDCH1

1

E-DPDCH2

j

E-DPDCH3

1

E-DPDCH4

j

1

No

E-DPDCH1

j

E-DPDCH2

1

1

Yes

E-DPDCH1

1

E-DPDCH2

j

Tableau 2 : « mapping » branche IQ [TS25.213]

6. Performance technologique

HSUPA qui est un protocole de transmission de données pour les réseaux mobiles, permet d'avoir un débit élevé dans le sens montant. Les applications de cette technologie s'alignent dans le concept de « all-in-one » favorisant ainsi la convergence fixe-mobile-internet. Outre le transfert de fichiers volumineux et les jeux en ligne, cette technologie permet intégration dans le domaine paquet des applications « temps réel » telle que : la visioconférence. Ceci grâce à un temps de latence qui est inférieur à 100ms [RHa06] au lieu des 150 ms requit pour une application « temps réel ». L'HSUPA est l'évolution de la « Release99 » dans le sens montant. Ainsi une compatibilité avec les « Release » précédents s'impose (figure 10). La sélection E-TFC permet au terminal mobile de choisir, à chaque TTI, la ressource radio (c'est-à-dire le ratio de la puissance maximale de transmission sur le canal E-DPDCH, relativement à la puissance de transmission sur le canal DPCCH) et le format de transport (c'est-à-dire la taille du bloc de transport qui est liée au facteur d'étalement, au nombre de codes et au débit maximum). Plusieurs catégories de terminaux mobiles ont été définies pour l'HSUPA en fonction de leur « capacité multicode », du débit maximum supporté, et de l'intervalle de temps entre deux transmissions de blocs de données (TTI) (Tableau 3).

HSDPA

UE

C-PICH

BCH

P-CCPCH

FACH, PCH

S-CCPCH

DCH descendant

 
 

DPDCH, DPCCH

 

DPCH Fractionnel (R6)

HS-DSCH (R5)

HS-PDSCH, HS-SCCH (R5)

E-HICH, E-AGCH, E-RGCH (R6)

RACH

PRACH

HSUPA

DCH montant

DPDCH, DPCCH

HS-DPCCH(R5)

E-DCH (R6)

E-DPDCH, E-DPCCH (R6)

Node B RNC

Figure 10 : Canaux Physique et canaux de transport R5&R6

Catégorie

Nombre Maximum
de codes E-DCH
transmis

Spreading Factor
Minimum

TTI (Transmission Time
Interval)

Nombre maximum de bits dans un
block de transport E-DCH avec un
TTI E-DCH

Débit
(Mbps)

1

1

SF4

10

7296

0.73

2

2

SF4

10

14592

1.46

2

2

SF4

2

2919

1.46

3

2

SF4

10

14592

1.46

4

2

SF2

10

20000

2

4

2

SF2

2

5837

2.92

5

2

SF2

10

20000

2

6

4

SF2

10

20000

2

6

4

SF2

2

11520

5.76

Tableau 3 : Catégories de terminaux HSUPA [RStuh]

L'emplacement de l'ordonnanceur HSUPA dans le Node B a pour effet la connaissance presque instantanée des interférences du lien montant et la réactivité rapide face à ces interférences par une retransmission rapide des paquets. La figure 11 montre l'interférence de liaison montante en fonction de la sortie de cellule.

Figure 11 : Interférence en fonction de la « throughput » [HoTo06]

Lors du déploiement de la technologie HSUPA, le niveau d'interférence dans la cellule sera défini par les pertes de propagation, l'interférence entre-cellule et la propagation multi-trajet. Ceci pour signifier qu'il est possible d'utiliser les mêmes stations de base ou Node B des Release précédents et y intégrer les fonctionnalités HSUPA moyennant une prise de disposition pratique pouvant éviter toute interférence réduisant ainsi le coût d'implantation d'un nouveau Node B.

Conclusion

La différence entre le HSDPA et HSUPA se situe au niveau de l'introduction de nouveaux concepts à savoir : un lien haut débit, amélioration de la combinaison de format de transport (mécanisme de sélection E-DCH TFC), établissement rapide du lien radio, attribution de ressource absolue et relative (suivant la qualité radio), intervalle de temps de 10 ms ou 2 ms afin de réduire la retransmission, support possible de soft-handover et introduction de deux nouvelles couches MAC-e et MAC-es. Toutefois, le HSUPA utilise un certains nombres de concepts déjà utilisés dans le HSDPA tels que : la retransmission rapide(HARQ), l'ordonnancement rapide et la transmission multicode. Aujourd'hui, cette technologie fait l'objet de développement dans les industries fabriquant les téléphones portables comme Freescale, Alcatel, Nokia etc. Avant tout développement, ces industriels mettent en oeuvre un prototype ou une plate forme de simulation requérant les paramètres au niveau couche physique et couche MAC de la norme 3 GPP.

Références

[HoTo06] Holma & A. Toskala, « HSDPA/HSUPA for UMTS », Wiley, 2006

[HoTo00] Harri Holma & Antti Toskala, « WCDMA for UMTS », Wiley 2000

[SaTh01] J. Sanchez & M Thioune, « UMTS: services, architecture et WCDMA », Hermes 2001 [RStuh] Reiner Stuhlfauth, « High Speed Uplink Packet Access, HSUPA - an introduction », ROHDE & SCHWARZ, Training Centre

[TS25.211] Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD), 3GPP Release 6

[TS25.212] Multiplexing and channel coding (FDD), 3GPP Release 6

[TS25.213] Spreading and modulation (FDD), 3GPP Release 6

[TS25.141] Base Station (BS) conformance testing (FDD), 3GPP Release 6

[RHa06] OMAR RACHID HADJAR, Analyse, implémentation et évaluation de performance de la future méthode d'accès HSDPA, Faculté des sciences et de génies Université Laval, QUÉBEC, 2006






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