Memoire Online - Hsupa couche physique

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).

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

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.

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.

E-AGCH

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.

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.

E-DCH

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.

DL

E-DPCCH E-DPCCH

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.

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.

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

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

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).

C-PICH

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

E-DCH (R6)

E-DPDCH, E-DPCCH (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

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.

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.

[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

[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