1

Modul-2Modul-2

2

CONTENTSCONTENTSCONTENTSCONTENTSModul-2Modul-2

OFDM/OFDMA Concept

LTE DL Physical Layer Design

DL Physical Layer Procedures

Cell Search & Synchronization

Link Adaptation

Scheduling

ARQ/HARQ

DL Physical Channels & Signals

UL Physical Channel & Signals

Random Access Procedures

UL Transmission Procedures

3

• Sinyal OFDM dapat mendukung kondisi NLOS dengan mempertahankan efisiensi spektral yang tinggi dan memaksimalkan spektrum yang tersedia.

• Mendukung lingkungan propagasi multi-path.

• Scalable bandwidth : menyediakan fleksibilitas dan potensial mengurangi capital expense.

OFDM ConceptOFDM Concept

4

OFDM Concept - NLOS PerformanceOFDM Concept - NLOS Performance

5

OFDM Concept - Multipath PropagationOFDM Concept - Multipath Propagation

Sinyal-sinyal multipath datang pada waktu yang berbeda dengan amplitudo dan pergeseran fasa yang berbeda, yang menyebabkan pelemahan dan penguatan daya sinyal yang diterima.

Propagasi multipath berpengaruh terhadap performansi link dan coverage.

Selubung (envelop) sinyal Rx berfluktuasi secara acak.

6

Multi-carrier modulation/multiplexing techniqueAvailable bandwidth is divided into several subchannelsData is serial-to-parallel convertedSymbols are transmitted on different subcarriers

OFDM ConceptOFDM Concept

7

OFDM ConceptOFDM Concept

8

OFDM vs Single-Carrier Mode

OFDM ConceptOFDM Concept

9

OFDM mengatasi delay spread, multipath dan ISI secara efisien sehingga dapat meningkatkan throughput data rate yang lebih tinggi.

Memudahkan ekualisasi kanal terhadap sub-carrier OFDM individual, dibandingkan terhadap sinyal single-carrier yang memerlukan teknik ekualisasi adaptif lebih kompleks.

OFDM vs Single-Carrier Mode

OFDM ConceptOFDM Concept

10

OFDM Concept – Motivation for Multi-carrier ApproachesOFDM Concept – Motivation for Multi-carrier Approaches

11

OFDM Concept – Peak to Average Power Ratio (PAPR)OFDM Concept – Peak to Average Power Ratio (PAPR)

PAPR merupakan ukuran dari fluktuasi tepat sebelum amplifier. PAPR sinyal hasil dari mapping PSK base band sebesar 0 dB karena semua symbol mempunyai daya yang sama. Tetapi setelah dilakukan proses IDFT/IFFT, hasil superposisi dari dua atau lebih subcarrier dapat menghasilkan variasi daya dengan nilai peak yang besar. Hal ini disebabkan oleh modulasi masing-masing subcarrier dengan frekuensi yang berbeda sehingga apabila beberapa subcarrier mempunyai fasa yang koheren, akan muncul amplituda dengan level yang jauh lebih besar dari daya sinyalnya.

12

Nilai PAPR yang besar pada OFDM membutuhkan amplifier dengan dynamic range yang lebar untuk mengakomodasi amplitudo sinyal. Jika hal ini tidak terpenuhi maka akan terjadi distorsi linear yang menyebabkan subcarrier menjadi tidak lagi ortogonal dan pada akhirnya menurunkan performansi OFDM.

OFDM Concept – Peak to Average Power Ratio (PAPR)OFDM Concept – Peak to Average Power Ratio (PAPR)

13

Data Sub-carriersMembawa simbol BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

Pilot Sub-carriersUntuk memudahkan estimasi kanal dan demodulasi koheren pada receiver.

Null Subcarrier Guard Sub-carriersDC Sub-carrier

Tipe Sub-Carrier OFDMTipe Sub-Carrier OFDM

14

Untuk mengatasi multipath delay spread

Guard Interval (cyclic prefix) : 1/4, 1/8, 1/16 or 1/32

Guard Interval (Cyclic Prefix)Guard Interval (Cyclic Prefix)

15

OFDM TransceiverOFDM Transceiver

16

OFDM dan OFDMA

OFDM & OFDMAOFDM & OFDMA

17

• Semua subcarrier dialokasikan untuk satu user

• Misal : 802.16-2004

• Subcarrier dialokasikan secara fleksibel untuk banyak user tergantung pada kondisi radio.

• Misal : 802.16e-2005 dan 802.16m

OFDM & OFDMAOFDM & OFDMA

18

OFDM Parameters used in WiMAXOFDM Parameters used in WiMAX

19

• Time Division Duplex (TDD) • Frequency Division Duplex (FDD) • Durasi Frame : 2.5 - 20ms

TDD & FDDTDD & FDD

20

OFDMA Frame Structure - TDDOFDMA Frame Structure - TDD

21

LTE Downlink Physical Layer DesignLTE Downlink Physical Layer Design

22

Untuk struktur generik, frame radio 10 ms dibagi dalam 20 slot yang sama berukuran 0.5 ms.

Suatu sub-frame terdiri dari 2 slot berturut-turut, sehingga satu frame radio berisi 10 sub-frame.

Ts menunjukkan unit waktu dasar yang sesuai dengan 30.72 MHz.

Struktur frame tipe-1 dapat digunakan untuk transmisi FDD dan TDD.

Generic Frame Structure in LTE Downlink – Type 1Generic Frame Structure in LTE Downlink – Type 1

Tf = 307200 x Ts = 10 ms

Tslot = 15360 x Ts = 0.5 ms

23

24

Generic Frame Structure in LTE Downlink – Type 2Generic Frame Structure in LTE Downlink – Type 2

Struktur frame tipe-2 hanya digunakan untuk transmisi TDD.

Slot 0 dan DwPTS disediakan untuk transmisi DL, sedangkan slot 1 dan UpPTS disediakan untuk transmisi UL.

25

26

27

28

• Suatu RB (resource block) terdiri dari 12 subcarrier pada suatu durasi slot 0.5 ms.

• Satu subcarrier mempunyai BW 15 kHz, sehingga menjadi 180 kHz per RB.

LTE Downlink Resource GridLTE Downlink Resource Grid

29

Bandwidth (MHz) 1.25 2.5 5.0 10.0 15.0 20.0

Subcarrier bandwidth (kHz) 15

Physical resource block (PRB) bandwidth (kHz)

180

Number of available PRBs 6 12 25 50 75 100

Parameters for DL generic frame structureParameters for DL generic frame structure

30

Transmission BW 1.25 MHz 2.5 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz

Sub-frame duration 0.5 ms

Sub-carrier spacing 15 kHz

Sampling frequency1.92 MHz (1/2x3.84

MHz)3.84 MHz

7.68 MHz (2x3.84 MHz)

15.36 MHz (4x3.84 MHz)

23.04 MHz (6x3.84 MHz)

30.72 MHz (8x3.84 MHz)

FFT size 128 256 512 1024 1536 2048

OFDM sym per slot (short/long CP)

7/6

CP length (usec/

samples)

Short(4.69/9) x 6, (5.21/10) x 1

(4.69/18) x 6, (5.21/20) x 1

(4.69/36) x 6, (5.21/40) x 1

(4.69/72) x 6, (5.21/80) x 1

(4.69/108) x 6, (5.21/120) x 1

(4.69/144) x 6, (5.21/160) x 1

Long (16.67/32) (16.67/64) (16.67/128) (16.67/256) (16.67/384) (16.67/512)

Parameters for DL generic frame structureParameters for DL generic frame structure

31

32

LTE Signal Spectrum (20 MHz case) LTE Signal Spectrum (20 MHz case)

33

Cell search and synchronization

Scheduling

Dilakukan di base station (eNodeB)

PDCCH (Phy DL Control Channel) menginformasikan alokasi time/freq resource dan format transmisi yang digunakan kepada user.

Scheduler mengevaluasi berbagai tipe informasi (parameter QoS, pengukuran dari UE, kapabilitas UE, buffer status)

Link Adaptation

Skema modulasi dan coding untuk shared data channel diadaptasi sesuai dengan kualitas link radio.

Untuk tujuan ini, UE secara teratur melaporkan Channel Quality Indicator (CQI) ke eNodeB.

Hybrid ARQ (Automatic Repeat Request)

DL Physical Layer ProceduresDL Physical Layer Procedures

34

Synchronization & Cell SearchSynchronization & Cell Search

UE yang ingin mengakses suatu sel LTE, terlebih dahulu harus melakukan prosedur Cell Search.

Cell Search terdiri dari serangkaian tahapan sinkronisasi, dimana UE menentukan parameter waktu & frekuensi yang diperlukan untuk mendemodulasi sinyal DL dan untuk mengirimkan sinyal UL dengan timing yang tepat.

Tiga kebutuhan sinkronisasi utama :

Symbol timing acquisition

Carrier frequency synchronization

Sampling clock synchronization

35

Cell Search for Multiple Bandwidths - ProblemCell Search for Multiple Bandwidths - Problem

36

Cell Search for Multiple Bandwidths - SolutionCell Search for Multiple Bandwidths - Solution

37

Synchronization SequenceSynchronization Sequence

Dua prosedur cell search dalam LTE :

INITIAL SYNCHRONIZATION

• UE mendeteksi suatu sel LTE dan mendekode semua informasi yang diperlukan untuk registrasi.

• Diperlukan pada saat UE di-ON-kan atau ketika kehilangan koneksi dengan serving cell.

NEW CELL IDENTIFICATION

• Dilakukan ketika UE sudah terhubung ke suatu sel LTE dan sedang dalam proses mendeteksi suatu sel tetangga baru.

• Dalam hal ini UE melaporkan hasil pengukuran yang terkait dengan sel baru ke serving cell, sebagai persiapan untuk handover.

38

Cell Search procedureCell Search procedure

PSS (Primary Synchronization Signal) dan SSS (Secondary Synchronization Signal) adalah kanal-kanal fisik yang di-broadcast dalam setiap sel.

Pendeteksian dua kanal ini :

• memungkinkan dilakukannya sinkronisasi waktu & frekwensi.

• memberikan identitas phy layer dari sel dan panjang cyclic prefix kepada UE.

• memberitahu UE apakah sel menggunakan FDD atau TDD.

RS : Reference Signal

PBCH : Physical Broadcast Channel

PSS : non-coherent detection

SSS : non-coherent/coherent detection

39

PSS and SSS frame and slot structure in FDDPSS and SSS frame and slot structure in FDD

40

PSS and SSS frame and slot structure in TDDPSS and SSS frame and slot structure in TDD

41

Reference Signals & Channel Estimation Reference Signals & Channel Estimation

Berbeda dengan jaringan berorientasi paket, LTE tidak menggunakan PHY Preamble untuk memfasilitasi estimasi carrier offset, estimasi kanal, sinkronisasi waktu, dsb.

Sebaliknya LTE menggunakan sinyal referensi khusus yang disisipkan dalam PRB.

Sinyal referensi tsb dikirimkan selama simbol OFDM pertama dan kelima dari setiap slot untuk short CP, dan simbol OFDM pertama dan ke-empat untuk long CP.

Simbol-simbol referensi dikirimkan setiap selang 6 subcarrier.

Dalam LTE downlink, terdapat 3 tipe RS :

Cell-specific RS

UE-specific RS

MBSFN-specific RS

42

DL Reference Signal Structure for 2 & 4 Antenna TransmissionDL Reference Signal Structure for 2 & 4 Antenna Transmission

43

RS-aided Channel Estimation RS-aided Channel Estimation

Problem estimasi kanal berhubungan dengan model kanal yang diasumsikan, yang ditentukan oleh karakteristik propagasi fisik, termasuk jumlah antena Tx/Rx, bandwidth transmisi, carrier frequency, konfigurasi sel dan kecepatan relatif antara eNodeB dan UE.

Kondisi propagasi mencirikan fungsi korelasi kanal dalam 3-dimensi, yaitu : domain frekwensi, domain waktu dan domain ruang (spatial).

Frequency-Domain Channel Estimation

• menggunakan Linear Interpolation Estimator

• menggunakan IFFT Estimator

Time-Domain Channel Estimation

• menggunakan Finite & Infinite Length MMSE (Min Mean Squared Error)

• menggunakan Normalized Least-Mean-Square

Spatial-Domain Channel Estimation

44

Downlink Physical Channels and SignalsDownlink Physical Channels and Signals

P-SCH and S-SCH

Physical Downlink Shared Channel

Physical Downlink Control Channel

Physical Broadcast Channel

Physical Control Format Indicator Channel

Physical Multicast Channel

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

P-SCH : Primary Synchronization Channel S-SCH : Secondary Synchronization Channel

45

LTE Downlink Physical Channels 1LTE Downlink Physical Channels 1

46

LTE Downlink Physical Channels 2LTE Downlink Physical Channels 2

47

Channel Coding & Link AdaptationChannel Coding & Link Adaptation

Prinsip link adaptation menjadi landasan perancangan suatu interface radio yang efisien untuk trafik data berbasis paket-switched.

Link adaptation dalam LTE dilakukan dengan mengatur laju data informasi yang dikirim (skema modulasi dan channel coding rate) secara dinamis, sesuai dengan kualitas radio link.

Link adaptation mempunyai hubungan yang sangat erat dengan perancangan skema channel coding yang digunakan untuk FEC.

Skema channel coding untuk FEC yang digunakan dalam LTE :

Convolutional Coding

Turbo Coding

LDPC (Low Density Parity Check) coding

Fitur advanced channel coding yang ditambahkan dalam LTE adalah : HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request).

48

Link AdaptationLink Adaptation

49

• Adaptive Modulation & Coding memastikan error rate tetap dibawah limit yang dapat diterima, dengan pengaturan modulasi dan coding rate secara dinamis.

• Level modulasi yang lebih rendah meningkatkan link budget dan fade margin.

• Perubahan lingkungan propagasi menyebabkan perubahan skema modulasi dan coding.

• Dalam perencanaan kapasitas, variasi kanal propagasi jangka-panjang harus diperhitungkan.

Adaptive ModulationAdaptive Modulation

50

Typical SNR Performance of LTE Modulation and CodingTypical SNR Performance of LTE Modulation and Coding

51

Adaptive Modulation & CodingAdaptive Modulation & Coding

52

• Pada dasarnya merupakan kombinasi dari teknik ARQ dan FEC.

• Terdapat dua tipe : Chase Combining (HARQ Type-I) dan Incremental Redundancy (HARQ Type-II).

HARQ (Hybrid ARQ)HARQ (Hybrid ARQ)

53

Four Basic models

Multiple Antenna TechniqueMultiple Antenna Technique

54

Multiple Antenna TechniqueMultiple Antenna Technique

55

Spatial DiversitySpatial Diversity

56

Spatial MultiplexingSpatial Multiplexing

57

MIMO Operation MIMO Operation

58

Diversity & MIMO Diversity & MIMO

59

Multi User Scheduling Multi User Scheduling

Scheduler (untuk transmisi unicast) secara dinamis mengontrol resource waktu dan frekwensi mana yang akan dialokasikan kepada suatu user pada suatu waktu tertentu.

DL control signalling memberitahu UE, resource dan format transmisi seperti apa yang sudah dialokasikan.

Scheduler dapat secara dinamis memilih strategi multiplexing terbaik dari beberapa metode yang ada, misalnya : localized atau distributed allocation.

Scheduling berinteraksi erat dengan link adaptation dan HARQ.

Pertimbangan scheduling antara lain didasarkan pada :

• minimum & maximum data rate

• daya yang tersedia untuk di-share

• Persyaratan target BER

• parameter QoS

• laporan CQI (Channel Quality Indicator)

• kapabilitas UE

60

Channel-Dependent Scheduling Channel-Dependent Scheduling

61

Packet-scheduling frameworkPacket-scheduling framework

• Packet scheduler adalah entitas pengendali untuk seluruh proses scheduling.

• Berkonsultasi dengan modul LA (Link Adaptation) untuk memperoleh estimasi data rate yang dapat disuport untuk user tertentu dalam sel.

• LA dapat menggunakan frequency-selective CQI feedback dari user, untuk memastikan estimasi data rate yang sesuai dengan target BLER tertentu.

• Modul Offset calculation dalam proses link-adaptation dapat digunakan untuk menstabilkan performansi BLER dalam kondisi LA yang tidak pasti.

62

LTE Uplink Transmission SchemeLTE Uplink Transmission Scheme

SC-FDMA

Pemilihan OFDMA dianggap optimum untuk memenuhi persyaratan LTE pada arah downlink, tetapi OFDMA memiliki properti yang kurang menguntungkan pada arah Uplink.

Hal tsb terutama disebabkan oleh lemahnya peak-to-average power ratio (PAPR) dari sinyal OFDMA, yang mengakibatkan buruknya coverage uplink.

Oleh karena itu, skema transmisi Uplink LTE untuk mode FDD maupun TDD didasarkan pada SC-FDMA, yang mempunyai properti PAPR lebih baik.

Pemrosesan sinyal SC-FDMA memiliki beberapa kesamaan dengan pemrosesan sinyal OFDMA, sehingga parameter-parameter DL dan UL dapat diharmonisasi.

Untuk membangkitkan sinyal SC-FDMA, E-UTRA telah memilih DFT-spread-OFDM (DFT-s-OFDM).

63

Single Carrier

Constellation

Mapping

S/P Conve

rt

M-Point DFT

Subcarrier

Mapping

N-Point IDFT

Cyclic Prefix

& Pulse

Shaping

RFEBit

Stream

Channel

Const. De-map

S/P Conve

rt

M-Point IDFT

Freq Domain Equaliz

er

N-Point DFT

Cyclic Prefix Remov

al

RFEBit

Stream

Symbol

Block

Symbol

Block

SC Detect

or

Functions Common to OFDMA and SC-FDMA

SC-FDMA Only

SC-FDMA and OFDMA Signal Chain Have a High Degree of Functional Commonality

SC-FDMA and OFDMA Signal Chain Have a High Degree of Functional Commonality

64

65

Comparison of how OFDMA and SC-FDMA transmit a sequence of QPSK data symbolsComparison of how OFDMA and SC-FDMA transmit a sequence of QPSK data symbols

66

Creating the time-domain waveform of an SC-FDMA symbol

Baseband and shifted frequency domain representations of an SC-FDMA symbol

Comparison of how OFDMA and SC-FDMA transmit a sequence of QPSK data symbolsComparison of how OFDMA and SC-FDMA transmit a sequence of QPSK data symbols

67

Improved UL Performance Improved UL Performance

68

Parameters for UL generic frame structureParameters for UL generic frame structure

SC-FDMA subcarriers can be mapped in either Localized or Distributed mode.

69

LTE Uplink SC-FDMA Physical Layer ParametersLTE Uplink SC-FDMA Physical Layer Parameters

70

Uplink Physical Channels and SignalsUplink Physical Channels and Signals

Physical Random Access Channel

Physical Uplink Shared Channel

Physical Uplink Control Channel

PUSCH : used for uplink shared data transmission.

PUCCH : used to carry ACK/NACK, CQI for downlink transmission and scheduling request for uplink transmission.

71

Uplink Data Transmission Uplink Data Transmission

Pada uplink, data dialokasikan dalam beberapa resource block (RB).

Ukuran RB untuk uplink sama dengan yang digunakan untuk downlink, tetapi untuk menyederhanakan disain DFT dalam pemrosesan sinyal uplink, tidak semua kelipatan bulat digunakan (hanya kelipatan 2, 3 dan 5).

Interval waktu transmisi uplink adalah 1 ms (sama dengan downlink).

User data dibawa pada Physical Uplink Shared Channel (PUSCH), yang ditentukan oleh BW transmisi dan pola frequency hoping.

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) membawa informasi kontrol uplink, seperti : laporan CQI dan informasi ACK/NACK, yang terkait dengan paket-paket data yang diterima pada arah downlink.

72

Random Access Random Access

Suatu LTE UE (User Equipment) hanya dapat di-scheduled untuk transmisi uplink, apabila uplink transmission timing-nya sinkron.

Oleh karena itu LTE RACH (Random Access Channel) memainkan peran penting sebagai interface antara non-synchronized UE dan skema transmisi othogonal pada akses radio uplink LTE.

Prosedur LTE random access mempunyai dua bentuk, yaitu : contention-based atau contention-free.

Dalam prosedur contention-based, suatu random access preamble signature dipilih secara acak oleh UE, yang kemungkinan dapat menyebabkan lebih dari satu UE mengirimkan signature yang sama secara simultan.

Dalam prosedur contention-free, eNodeB memiliki opsi untuk mencegah terjadinya contention dengan mengalokasikan suatu dedicated signature kepada UE.

73

Contention-based Random Access Procedure Contention-based Random Access Procedure

Step 1 : Preamble transmission

Step 2 : Random Access Response

Step 3 : L2/L3 message

Step 4 : Contention resolution message

74

Contention-free Random Access Procedure Contention-free Random Access Procedure

Prosedur contention-free random access dapat diterapkan dalam hal diperlukan low latency, seperti handover dan new downlink data.

75

UL Transmission Procedures UL Transmission Procedures

Uplink scheduling

Dilakukan oleh base station (eNodeB)

PDCCH (Phy DL Control Channel) menginformasikan alokasi time/freq resource dan format transmisi yang digunakan kepada user.

Scheduler mengevaluasi berbagai tipe informasi (parameter QoS, pengukuran dari UE, kapabilitas UE, buffer status)

Uplink Adaptation

Untuk keperluan adaptasi uplink, dapat digunakan : transmission power control, adaptive modulation & channel coding rate, serta adaptive transmission BW.

Uplink timing control

Diperlukan untuk menyelaraskan waktu transmisi dari UE-UE yang berbeda, dengan receiver window dari eNodeB.

Hybrid ARQ