Evolution de la téléphonie mobile

Conservatoire National des Arts et Métiers
Cours du Conservatoire National des Arts et Métiers
UMTS
Version 4.0
Michel Terré
[email protected]
www.cnam.fr/elau
Electronique C4
1
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1
Evolution de la téléphonie mobile ___________________________________________3
1.1
Rappels téléphonie mobile 2G _______________________________________________ 3
1.2
Téléphonie mobile 3G ______________________________________________________ 4
1.2.1
1.2.2
2
3
Caractéristiques d'un système 3G _________________________________________________ 4
Les collaborations internationales _________________________________________________ 4
UMTS _________________________________________________________________5
2.1
L’organisation fréquentielle _________________________________________________ 5
2.2
Organisation temporelle ____________________________________________________ 6
2.3
L’étalement de spectre _____________________________________________________ 6
2.4
Architecture de l’UMTS ____________________________________________________ 8
Le CDMA de l'UMTS ___________________________________________________10
3.1
Le mode FDD____________________________________________________________ 11
3.1.1
Le scrambling _______________________________________________________________
3.1.2
La canalisation voie descendante_________________________________________________
1.1.3
La canalisation voie montante ___________________________________________________
1.1.4
Remarque sur le tramage UMTS _________________________________________________
1.1.5
Les Canaux radios en mode FDD ________________________________________________
1.1.5.1 Canaux communs___________________________________________________________
1.1.5.2 Canaux dédiés _____________________________________________________________
1.2
Le mode TDD____________________________________________________________ 20
1.2.1
Structure de trame TDD________________________________________________________
1.2.2
Le scrambling _______________________________________________________________
1.2.3
La canalisation_______________________________________________________________
1.2.4
Canaux radios _______________________________________________________________
1.2.4.1 Canaux dédiés _____________________________________________________________
1.2.4.2 Canaux communs___________________________________________________________
4
11
11
14
15
18
18
19
20
20
20
21
21
21
Références ____________________________________________________________22
Electronique C4
2
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1
EVOLUTION DE LA TELEPHONIE MOBILE
Après la première génération de téléphones mobiles, caractérisée par une modulation analogique (systèmes
Radiocom 2000 et Ligne SFR), et la seconde, caractérisée par une modulation numérique et une normalisation
internationale mais régionale, les instances de normalisation se sont ensuite tournées vers un système unique de
troisième génération de téléphonie mobile : l’International Mobile Telecommunications IMT 2000. 2000 en
référence à la bande de fréquences utilisée pour le système (autour de 2000 MHz) et à l’année prévue
initialement pour sa commercialisation (en réalité, la sortie commerciale des produits proposés est prévue pour
2003 au Japon et 2004 en Europe).
1.1
Rappels téléphonie mobile 2G
-
En Europe, le système 2G le plus utilisé est bien sûr le système numérique GSM.
-
Au Japon, il existe un système numérique PCS : le PHS (Personal Handyphone System), lancé en 1995,
assez proche du DECT. Les principaux objectifs de ce système sont d’offrir un système d’accès de type sans
cordon au réseau téléphonique dans de nombreuses applications, et ce, avec un coût inférieur à un système
microcellulaire. Ce système connaît un énorme succès depuis sa commercialisation.
-
Aux Etats-Unis, le système 2G est l’IS-95, normalisé sur la base d’une proposition de la société Qualcomm.
C’est un système utilisant comme moyen d’accès le CDMA. Les précédentes normes US étaient :
-
AMPS (Advance Mobile Phone Service), système analogique, utilisant un mode d'accès FDMA. En
Europe, il a été adopté comme système 1G par certains pays sous le nom de TACS (Total Access
Cellular System) ;
et
-
IS-54 (Interim Standard 54), ou D-AMPS, système numérique compatible avec les canaux AMPS,
utilisant un mode d'accès TDMA.
L’IS-95 concerne essentiellement un trafic de voix et la bande d'étalement utilisée est de 1,228 MHz.
Les premiers tests menés en 1993 à San Diego ont fait apparaître une capacité environ 10 fois supérieure par
rapport à l'accès AMPS. Ces comparaisons de capacité, comme toutes celles où le CDMA est opposé au
TDMA ou au FDMA doivent être analysées avec beaucoup d'attention afin d'éviter des conclusions trop
hâtives. En effet, l’efficacité des différentes méthodes d’accès multiple (FDMA, TDMA, CDMA) en terme
de capacité a fait l’objet de nombreuses recherches. La réponse à cette question dépend fortement des
conditions dans lesquelles le système est implanté, d’où les grandes différences qui peuvent apparaître entre
systèmes utilisant des méthodes d’accès différentes. L’effet des trajets multiples, des interférences, de la
réutilisation des fréquences, des techniques de traitement du signal… influent considérablement sur la
capacité de chaque système. On peut cependant rappeler qu’en théorie de l’information, la limite théorique
d’un système, en fonction de la bande occupée W et du rapport de puissance Signal/Bruit,
S
, est donnée
B
pour un canal de transmission AWGN (Additive White Gaussian Noise Channel) par le théorème de la
capacité de Shannon qui définit le débit utile théorique D que l'on peut atteindre avec un taux d'erreurs
aussi faible que l'on veut, par la formule suivante :
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3
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S

D = W log 2  1 + 
B

1.2
Téléphonie mobile 3G
1.2.1
Caractéristiques d'un système 3G
Depuis 1985, l’Union Internationale de Télécommunications (UIT, ou ITU en anglais) réfléchit à un système de
troisième génération, initialement appelé Futur Public Land Mobile Telephone System FPLMTS, mais
actuellement connu sous le nom d’IMT 2000.
L'idée fondatrice du système 3G est d'intégrer tous les réseaux de deuxième génération du monde entier en un
seul réseau et de lui adjoindre des capacités multimédia (haut débit pour les données). Le principe du système est
souvent résumé dans la formule anyone, anywhere, anytime, signifiant que chacun doit pouvoir joindre ou être
joint n’importe où et n’importe quand. Le système doit donc permettre l’acheminement des communications
indépendamment de la localisation de l’abonné, que celui-ci se trouve chez lui, au bureau, en avion…
Le choix de la technologie 3G prendra en considération des facteurs techniques, politiques et commerciaux. Les
facteurs techniques concernent la fourniture des débits demandés et la performance du réseau. Politiquement, les
différents organismes de normalisation doivent parvenir à un accord et prendre en compte les spécificités
régionales. Enfin, les investissements engagés par les opérateurs dans les systèmes existants laisseraient à penser
qu’il faut choisir un système 3G compatible avec les réseaux 2G, tandis que bien sûr les constructeurs
pencheraient plutôt pour un nouveau système qui leur ouvrirait de belles opportunités commerciales.
Les autres principales caractéristiques à respecter sont :
-
l’assurance en mobilité d’un débit de 144 kbits/s (de préférence 384 kbits/s) partout où le service est assuré ;
-
l’assurance dans certaines zones (de mobilité limitée) d’un débit de 2 Mbits/s ;
-
une haute efficacité spectrale par rapport aux systèmes 2G ;
-
une haute flexibilité pour permettre aisément l’introduction de nouveaux services.
Les débits ont été spécifiés à partir des débits proposés par le Réseau Numérique à Intégration de Service (RNIS
ou ISDN en anglais) :
-
144 kbits/s qui correspond à l’accès de base destiné au grand public pour le RNIS : 2 canaux B d’usager à
64 kbits/s + 1 canal D de signalisation à 16 kbits/s
-
384 et 1920 kbits/s qui correspondent à l’accès aux canaux RNIS de type H0 et H12.
Les bandes de fréquences allouées pour l’IMT 2000 sont 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz.
1.2.2
Les collaborations internationales
Des groupes de travail se sont constitués pour travailler à la normalisation de ce système 3G.
En Europe, au sein de l’ETSI, la standardisation d’un système 3G nommé Universal Mobile Telecommunication
UMTS a commencé en 1990 avec la création de comités techniques SMG (Subtechnical Committee Group). Ces
comités techniques sont composés de représentants des constructeurs déjà impliqués dans les réseaux GSM
(Nokia, NMC, Ericsson, Alcatel, Mistubishi, Sagem…) et des opérateurs européens de téléphonie mobile.
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Les Japonais sont, du fait de l’énorme succès du PHS, très pressés de passer directement à un système 3G et leur
travail sur l’IMT 2000 depuis 1997 au sein de leur organisme de normalisation Association for Radio Industry
and Business (ARIB) est très actif.
Lors des réunions de travail des SMG ou de l’ARIB, les opérateurs insistent sur la nécessité de disposer d’une
grande capacité (pour avoir la possibilité d’“accueillir” plus d’abonnés) et de moyens de vérification du
fonctionnement du réseau, d’intégrer facilement de nouveaux services. Les constructeurs quant à eux tentent
d’imposer comme norme la solution technique mise au point par leur entreprise. Ainsi, ils posséderaient une
avance technologique certaine sur leurs concurrents.
Or ce sont les mêmes constructeurs qui interviennent au sein de l’ARIB et de l’ETSI. Les propositions
résultantes de ces deux organismes sont donc assez semblables. C’est pourquoi, en 1998, une coopération, le
3GPP pour 3rd Generation Partnership Project, est créée entre les organismes concernés pour travailler à une
solution unique qui serait proposée à l’UIT.
Le 3GPP regroupe :
-
le Japon : ARIB (Association of Radio Industries and Business) et TTC (Telecommunication Technology
Committee),
-
l’Europe : ETSI (European Telecommunications Standards Institute),
les Etats-Unis : T1,
-
la Corée : TTA (Telecommunications Technology Association).
-
La Chine, par l’intermédiaire du CWTS (China Wireless Telecommunication Standard Group) a rejoint le
3GPP depuis Mai 1999.
Le 3GPP est scindé en 4 groupes de travail TSG (Technical Specifications Groups) :
-
TSG Radio Access Network, chargé de la définition de la partie radio (couches 1 à 3) et des interfaces radios
(Iu, Iub et Iur) ;
-
TSG Core Network, chargé de la mise au point des couches Mobility Management, Call Control et Services
Management, et de l’étude de l’interfonctionnement entre les différents réseaux (handover / roaming) ;
-
TSG Services & System Aspects, chargé de la définition des services, de l’architecture, de la sécurité, du
CODEC et de la gestion du Réseau ;
-
TSG Terminals, chargé de l’établissement des tests et des fonctionnalités sur les terminaux.
Dans la suite de ce polycopié, seul l’UMTS est présenté.
2
2.1
UMTS
L’organisation fréquentielle
Les bandes de fréquences allouées pour l’IMT 2000 sont 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz.
L’UMTS propose la répartition suivante :
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1885
1920
1980
TDD
FDD
TDD : Time Division Duplex
2010
2025
2110
satellite TDD
2170
FDD
2200 MHz
satellite
FDD : Frequency Division Duplex
Figure 1. : Utilisation de la Bande de Fréquences pour l’UMTS
La division duplex dans les bandes dites “appairées”, c’est à dire 2×60 MHz, est fréquentielle. L’écart duplex
vaut 190 MHz. On utilise dans ces bandes un accès W-CDMA.
La division duplex dans les bandes dites “non appairées”, c’est à dire 35 MHz et 15 MHz, est temporelle. On
utilise dans ces bandes un accès TD-CDMA.
Les deux modes d’accès doivent être harmonisés pour favoriser la réalisation de terminaux bi-modes
TDD / FDD à bas coûts.
D’une manière générale, le mode FDD est bien adapté à tous les types de cellules, y compris aux grandes
cellules, mais n’est pas très souple pour gérer des trafics asymétriques. Quant au mode TDD, il permet d’adapter
le rapport de transmission montante/descendante en fonction de l’asymétrie du trafic, mais exige une
synchronisation des stations de base et n’est pas bien adapté aux grandes cellules à cause des temps de garde trop
importants.
Les deux bandes restantes sont réservées à la composante satellitaire de l’UMTS, non encore étudiée.
2.2
Organisation temporelle
L’organisation temporelle de l’UMTS est basée sur une supertrame de 720 ms, comportant elle-même 72 trame
de 10 ms. Chaque trame de 10 ms est divisée en 15 slots de 667 µs.
Slot 1
Slot 2
Slot 3
Slot 4
Slot 5
Slot 6
Slot 13
Slot 14
Slot 15
Trame
69
Trame
70
Trame
71
trame : 10 ms
Trame
1
Trame
2
Trame
3
Trame
4
Trame
5
Trame
68
Trame
72
supertrame : 720 ms
Structure de trame de l’UMTS
2.3
L’étalement de spectre
L’étalement de spectre se fait en deux étapes. La première, dite de channelization ou de spreading, transforme
chaque symbole de données en un certain nombre de chips. La seconde, dite de scrambling, s’applique aux chips.
Ces deux étapes sont nécessaires :
-
Pour séparer les différentes applications issues d’une même source, utilisation des séquences de
Hadamard ;
-
Pour séparer différentes stations de bases :
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-
-
En mode FDD : utilisation des séquences de Gold, de période 10 ms, à 3,84 Mchips/s ;
-
En mode TDD : utilisation de codes de longueur 16 ;
Pour séparer différents mobiles :
- En mode FDD : utilisation de séquences de Gold longues, de période 10 ms, ou de séquences courtes,
de période 256 chips ;
- En mode TDD : utilisation de codes de période de 16 chips et de midambules de différentes longueur
suivant l’environnement.
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2.4
Architecture de l’UMTS
Le réseau UMTS est composé de deux sous-réseaux comme l’illustre la figure ci-dessous : le réseau cœur ‘Core
Network’ et le réseau radio ‘UMTS Radio Access Network’.
RNIS / RTCP
Internet
GSM Network Sub System - UMTS Core Network
G-MSC UMTS
G-GSN UMTS
AuC
HLR
MSC
UMTS
( GSM )
A
Gb
GSM Base Station Sub-system
BSC
SGSN
EIR
( GPRS )
Iu
Iu
UMTS Radio Access Network
BSC
Iur
RNC
Abis
BTS
BTS
RNC
Iub
BTS
BTS
Node B
Node B Node B Node B
Uu
Air
GSM
mobile terminal
UMTS
GSM / UMTS
mobile terminal
UMTS
mobile terminal
Architecture du réseau UMTS
Le Core Network est hérité de l’architecture NSS du GSM et est constitué d’une partie commutation de circuits
(MSC-GSM) et d’une partie commutation de paquets (SGSN-GPRS). Les nœuds de signalisation, la gestion de
la mobilité, les services réseaux intelligents et les HLR, AUC, EIR… devront évoluer pour intégrer les
spécificités UMTS.
L’UMTS Radio Access Network (UTRAN) est complètement distinct du BSS du GSM. Il est constitué de 1 ou
plusieurs RNC (Radio Network Controllers), dont dépendent des Node B, et qui jouent un rôle proche
respectivement des BSC et des BTS en GSM. Un UTRAN peut donc être relié au Core Network par plusieurs
liens (1 par RNC).
Le RNC et le Node B peuvent supporter les deux modes de duplexage FDD et/ou TDD.
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Le Node B est un ensemble de stations de base (BS) et de contrôleurs de site qui sont chargés en outre de gérer la
macrodiversité. Chaque station de base gère une cellule. Plusieurs cellules peuvent donc dépendre d’un même
Node B, mais chaque cellule ne supporte qu’un seul mode de duplexage : FDD ou TDD.
Deux rôles de RNC ont été introduits afin de gérer les handovers inter-RNC : le Serving RNC et le Drift RNC
(un RNC joue l’un ou l’autre des deux rôles pour une communication). Chaque communication met en œuvre un
Serving RNC et un seul, et passe par 0 ou plusieurs Drift RNC :
-
Le Serving RNC gère les connexions radios avec le mobile et sert de point de rattachement au Core Network
via l’interface Iu. Il contrôle et exécute le handover.
-
Le Drift RNC, sur ordre du Serving RNC, gère les ressources radios des stations de base qui dépendent de
lui. Il effectue la recombinaison des liens lorsque du fait de la macrodiversité plusieurs liens radios sont
établis avec des stations de base qui lui sont attachées. Il “route” les données utilisateurs vers le Serving
RNC dans le sens montant et vers ses stations de base dans le sens descendant.
GSM Network Sub System - UMTS Core Network
Iu
Iu
Serving RNC
Node B
Iur
Drift RNC
Iub
Node B
Node B
Contrôleur
de Site
Contrôleur
de Site
Contrôleur
de Site
BS
BS
Node B
Contrôleur de
Site
BS
BS
Figure 2. : Serving et Drift RNC
Les principales fonctions de l’interface Iur, reliant les RNC entre eux, sont liées au soft handover. L’Iur permet
en effet au Serving RNC de demander au Drift RNC d’ajouter ou de supprimer un lien radio, de modifier les
caractéristiques de celui-ci…
L’interface Iub, reliant le RNC au Node B, est comparable à l’interface Abis en GSM, mais contrairement au
GSM et du fait de la macrodiversité, plusieurs branches Iub de communication peuvent être utilisées pour un
même terminal, toutes ces branches transportant la même information utilisateur.
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L’interface Iu relie l’UTRAN au Core Network, que ce soit à un MSC pour les services circuits et/ou à un GSN
pour les services paquets. Elle est indépendante du mode de duplexage sur l’interface radio (FDD ou TDD) et
gère en outre le hard handover.
La technologie ATM devrait être utilisée pour le transport à l’intérieur de l’UTRAN, ainsi que sur l’Iu. En effet,
l’ATM présente les avantages suivants :
!
des débits variables peuvent être utilisés pour la commutation de paquets et pour la parole codée ;
!
la possibilité de déterminer plusieurs qualités de service (QoS), négociées par l’utilisateur en début de
connexion (taux de cellules erronées, perdues, délai moyen et maximal…). Les critères de QoS sont
différents suivants le type de connexion : insistance sur le temps réel conversationnel (parole) ou en flux
(vidéo), technique du best-effort…
L’interface radio de l’UMTS, Uu, est séparée en 3 couches :
-
La couche physique ;
-
La couche liaison de données elle-même divisée en 2 sous-couches : Radio Link Layer RLC et Medium
Access Control MAC ;
-
3
La couche réseau
LE CDMA DE L'UMTS
(ce paragraphe utilise parfois des noms de canaux logiques dont la définition est donnée au paragraphe 2.6)
Les deux modes de fonctionnement possible, W-CDMA et TD-CDMA utilisent tous les deux un accès CDMA à
3.84 Mchips/sec dans une canalisation fréquentielle de 5 MHz.
L’intérêt d’une telle largeur de bande est qu’elle est compatible avec la fourniture de débits à 384 kbits/s, comme
requis dans les spécifications de l’IMT 2000, voire même 2 Mbits/s sous certaines conditions.
La modulation utilisée est la QPSK.
Deux options ont été retenues pour le codage de canal :
-
Un codeur convolutionnel de taux ½ ou 1/3 associé à un FEC (Forward Error Correction)
-
Un turbocodeur, recommandé pour les services de très haute qualité
Des études sur l'emploi de modulations plus efficaces (ex QAM16) sont actuellement étudiées (solutions
HSDPA).
Les deux paragraphes qui suivent vont préciser quelques détails techniques des deux modes d'accès.
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3.1
Le mode FDD
Un des grandes force de la forme d'onde UMTS est de pouvoir transmettre des débits variables. Ceci va être
réalisé par un mélange en CDMA de plusieurs train binaires, sur un même times slot. Ces trains binaires ayant
des débits nominaux différents.
Comme il a été précisé on va distinguer, les séquences de "channelization ou "canalisation" en français et les
séquences de "scrambling" ou "embrouillage" en français. La "canalisation" étant la partie le plus intéressante ce
paragraphe va essentiellement s'y consacrer.
3.1.1
Le scrambling
On rappelle que le scrambling ne provoque pas d'étalement, il s'agit simplement d'une multiplication "chip à
chip" d'un signal étalé par un séquence dite de "scrambling".
Pour le scrambling uplink on notera essentiellement qu'il existe 224 codes dans ce sens uplink. Ces "codes" ou
"séquences", vont donc séparer les mobiles entre eux. Ces codes de scrambling uplink, dits "longs", sont des
portions de séquences de Gold formées à partir des polynômes générateurs p25+p3+1 et p25+p3+p2+p+1. Ces
portions ont une longueur de 38400 chips et leur période est donc de 10 ms (durée de la trame UMTS).
Il est également possible d’utiliser des codes de scrambling uplink plus courts, de longueur 256 chips, lorsque la
station de base est équipée d’un annuleur d’interférences ou d’un détecteur multi-utilisateur.
Pour le scrambling downlink, il existe 512 × 512 codes, qui vont donc séparer les stations de base entre elles.
Chaque station de base peut "scrambler" les données d’un utilisateur avec une séquence parmi un jeu de 512
mises à sa disposition. Les codes de scrambling downlink sont des portions de séquences de Gold formées à
partir des polynômes générateurs p18+p7+1 et p18+p10+p7+p5+1 ; ces portions ont une longueur de 38400 bits et
leur période est donc de 10 ms (durée de la trame UMTS).
3.1.2
La canalisation voie descendante
La trame temporelle descendante est organisée comme précisé sur la figure ci-dessous :
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TFI
données
TPC
DPDCH
Slot 1
Slot 2
Slot 3
symboles
pilotes
données
DPDCH
slot : 0,667 ms
2560 chips
Slot 4
Slot 5
Slot 6
Slot 13
Slot 14
Slot 15
Trame
69
Trame
70
Trame
71
trame : 10 ms
Trame
1
Trame
2
Trame
3
Trame
4
Trame
5
Trame
68
Trame
72
supertrame : 720 ms
Structure du slot de données sur la voie descendante
Durant le time slot de 667 µs, il va être possible d'émettre un nombre de bits n variable. Il est prévu de pouvoir
faire varier ce nombre n de la manière suivante :
n = 10 x 2 k
n peut ainsi varier de 20 pour k = 0 , jusqu'à 2560 pour k = 7 .
Le facteur d'étalement SF (Spreading Factor) utilisé variera en sens inverse afin de conserver un nombre constant
de chips par times slots.
SF =
512
2k
Le débit en chips par secondes reste ainsi constant :
512
10.2 k k
n.SF
1
2 1 = 10 x512 1 = 3.838 Mchips/sec
Débit =
=
−3
2
0.667 10
0.667 10 − 3 2 0.667 10 − 3 2
le facteur ½ provient de la modulation QPSK.
Exemple :
d=
L'utilisation continue de tous les times slots avec 20 bits par time slot conduit à un débit utile
20
0.667.10 −3
= 29.985 kbits / sec
L'utilisation de tous les times slots avec 1280 bits dans le champ de données conduit à un débit
utile d =
1280
0.667.10 −3
= 1919 kbits / sec
L'utilisation régulière d'un time slot sur 16 avec 80 bits
d=
80
10.10 − 3
(k = 3)
conduit à un débit utile
= 8 kbits / sec .
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Exemple :
Durée du time slot
0.667
k
3
Nombre de bits
80
Modulation
QPSK
Nombre de symboles du time slot
40
Facteur d'étalement (SF)
64
Nombre de chips
2560
Débit en chips/sec
3.84
ms
bits
Mchips/sec
Etant en mode downlink, on a intérêt à utiliser des séquences d'étalement orthogonales. En effet il n'y aura pas de
désynchronisation temporelle des séquences entre elles et l'orthogonalité "pourrait" être conservée. Cependant on
sait que les multitrajets du canal de propagation vont en partie détruire cette propriété d'orthogonalité. Le
problème consiste malgré cela à identifier un jeu de séquences d'étalement orthogonales alors qu'elles sont de
longueurs différentes. L'UMTS propose alors une technique appelée "OVSF" Orthogonal Variable Spreading
Factor. Il s'agit simplement d'un algorithme de choix de séquences sur un arbre de Hadamard.
Considérons une famille de séquence de Hadamard, représentée sous la forme d'un arbre, comme ci-dessous :
1,1,1,1
1,1
1,1,-1,-1
1
1,-1,1,-1
1,-1
1,-1,-1,1
On dispose sur cet arbre d'un ensemble de séquences d'étalement de longueurs variables. On rappelle qu'il est
possible de choisir des séquences dont les longueurs vont de 4 à 512.
Lorsqu'une séquence correspondant à une branche de l'arbre est retenue, toutes les séquences des branches
émanant de cette branche sont interdites. Cette technique réduit le nombre de séquences possibles mais permet
ainsi d'assurer le maintien de l'orthogonalité entre séquences de longueurs différentes.
Exemple : Reprenons l'arbre précédent et considérons le cas (trop court pour l'UMTS mais simple
numériquement pour un exemple) où la séquence {+ 1,−1} est retenue. Les séquences filles {+ 1,−1,+1,−1} et
{+ 1,−1,−1,+1} sont alors interdites. Considérons alors que la séquence {+ 1 + 1,−1,−1} est aussi retenue.
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1,1,1,1
1,1
1,1,-1,-1
1
1,-1,1,-1
1,-1
1,-1,-1,1
Notons {a1 , a2 , a3 , a4 } les bits étalés par la séquence
{+ 1,−1}
et {b1 , b2 } les bits étalés par la séquence
{+ 1,+1,−1,−1} . En l'absence de bruit les chips reçus s'écrivent :
{a1 + b1 ,−a1 + b1 , a2 − b1 ,−a2 − b1 , a3 + b2 ,−a3 + b2 , a4 − b2 ,−a4 − b2 }
En corrélant ce signal reçu par la séquence {+ 1,−1} on retrouve bien les bits émis {a1 , a2 , a3 , a4 } et en corrélant
par la séquence {+ 1,+1,−1,−1} , on retrouve les bits {b1 , b2 } .
En conclusion on peut dire que grâce à l'étalement variable et à l'OVSF, le mode FDD downlink va permettre
une grande granularité de débits sur la voie descendante. Le débit chip sera le même quelque soit le débit du train
binaire "descendant", par contre les amplitudes des chips seront différentes. En effet c'est l'énergie par bit, au
niveau du récepteur qui doit être constante. Selon qu'un bit est constitué de plus ou moins de chips, l'énergie de
ces derniers sera plus ou moins importante.
3.1.3
La canalisation voie montante
La trame temporelle montante est organisée comme précisé sur la figure ci-dessous :
DPDCH
DPCCH
données
symboles pilotes
voie I
TFI
FBI
TPC
voie Q
slot : 0,667 ms
2560 chips
Slot 1
Slot 2
Slot 3
Slot 4
Slot 5
Slot 6
Slot 13
Slot 14
Slot 15
Trame
69
Trame
70
Trame
71
trame : 10 ms
Trame
1
Trame
2
Trame
3
Trame
4
Trame
5
Trame
68
Trame
72
supertrame : 720 ms
Structure du slot de données sur la voie montante
Pour le uplink, le nombre de bits n de données par time slot s'écrit :
n = 10 × 2 k , k ∈ [0,6 ]
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n varie donc de 10 à 640.
La différence du facteur 2 par rapport à la voie descendante vient du fait que dans ce sens, les données ne sont
transmises que sur une des voies de la modulation QPSK, il y a donc moins de bits de données portés par chaque
symbole de communications.
Le facteur d'étalement SF (Spreading Factor) varie pour sa part entre 4 et 256 et s'écrit :
SF =
256
2k
Le nombre de chips par time slot reste constant et le débit est égal à :
Débit =
10.2 k
0.667 10
256
−3
2k
= 3.838 Mchips/sec
La technique d'OVSF est appliquée pour les terminaux qui transmettent plusieurs trains à des débits différents.
On rappelle que le principe de base du CDMA est de partager la même bande de fréquence et le même time slot
par plusieurs utilisateurs, plusieurs burst "montant" de plusieurs utilisateurs sont donc émis en parallèle. Chaque
burst doit "porter" ses infos de synchronisation car elles correspondent à la situation particulière du terminal.
3.1.4
Remarque sur le tramage UMTS
Remarque 1 : Lorsque le débit à transmettre est supérieur au débit maximum d’un canal physique, on alloue à
l’utilisateur plusieurs canaux DCH en parallèle.
En downlink, si les canaux en parallèles transportent des données au même débit, les données de contrôle ne sont
transmises que sur le canal DPCCH du premier DCH (il n’y a aucune transmission pendant ces intervalles de
temps sur les autres DCH). Si les canaux en parallèle ne transportent pas les données à un débit identique
(coefficients d’étalement différents), chaque canal DCH transporte ses informations de contrôle sur son canal
DPCCH.
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DPDCH 1
DPCCH
channelization code 1
(QPSK)
DPDCH 2
(QPSK)
Σ
I
channelization code 2
scrambling
code
jQ
DPDCH N
(QPSK)
channelization code N
Σ
x j
Transmission sur plusieurs canaux DPDCH downlink à même débit
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En uplink, un seul canal DPCCH est alloué et les données sont transmises sur plusieurs canaux DPDCH, étalées
différemment suivant les séquences de Hadamard.
DPDCH 1
channelization
code 1
gain 1
channelization
code 3
gain 3
(BPSK)
DPDCH 3
Σ
(BPSK)
DPDCH N-1
channelization
code N-1
gain N-1
I
(BPSK)
DPDCH 2
channelization
code 1
gain 1
jQ
(BPSK)
DPDCH 4
scrambling
code
channelization
code 3
gain 3
channelization
code N-1
gain N-1
(BPSK)
DPDCH N
x j
Σ
(BPSK)
DPCCH
channelization
code Contrôle
(BPSK)
Transmission sur plusieurs canaux DPDCH uplink
Remarque 2 : L’introduction des slots donne une impression de discontinuité de la transmission, ce qui est faux :
chaque utilisateur, s’il doit transmettre des données à haut débit, a la possibilité de transmettre ses informations
dans tous les slots de la trame, contrairement au GSM.
slot :
0,667 ms
W-CDMA
utilisateurs
utilisateurs
utilisateurs
utilisateurs
utilisateurs
1...N
1...N
1...N
1...N
1...N
1...N
slot 1
slot 2
slot 3
slot 4
slot 14
slot 15
trame : 10 ms
utilisateurs
slot :
0,577 ms
GSM
utilisateur utilisateur utilisateur utilisateur utilisateur utilisateur utilisateur utilisateur
1
2
3
4
5
6
7
8
trame : 4,615 ms
Structure comparée des trames W-CDMA et GSM
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3.1.5
Les Canaux radios en mode FDD
3.1.5.1 Canaux communs
Ils sont au nombre de 6 :
BCH – Broadcast Channel – downlink
Diffusion, à débit fixe et assez faible, d’informations spécifiques à une cellule, destinées à tous les usagers
présents dans la cellule.
FACH – Forward Access Channel – downlink
Transport d’informations de contrôle à un mobile dont le réseau connaît la localisation à la cellule près. Peut
éventuellement transporter des courts paquets utilisateurs. Est soumis à un contrôle de puissance lent.
PCH – Paging Channel – downlink
Diffusion d’informations de contrôle à un mobile dont le réseau ne connaît pas la localisation. La diffusion a
donc lieu dans plusieurs cellules entières.
CPCH – Common Packet Channel – uplink
Transporte de spaquets de petites et moyenne tailles. Il est basé sur un accès aléatoire (d’où risque de collisions)
et est utilisé pour les transmissions particulièrement bursty. Il est associé à un canal downlink dédié qui fournit
les commandes de contrôle de puissance.
DSCH – Downlink Shared Channel – downlink
Canal partagé par entre plusieurs mobiles et transportant des informations de contrôle ou de données.
RACH – Random Access Channel – uplink
Caractérisé par un risque de collision et un contrôle de puissance en boucle
Pour accéder à un canal, le mobile doit suivre une démarche différente de celle utilisée en GSM (émission d’un
seul burst assez court dans des slots précisés par le canal BCCH).
En effet, le mobile doit effectuer une transmission consistant en l’émission de 1 ou plusieurs préambules de
longueur 4096 chips suivis d’un message de 10 ms :
préambule
préambule
préambule
4096 bits
message
10 ms
La transmission commence à des instants bien précis, tous les 5120 chips, déterminés à partir de la
synchronisation de la trame BCH : une trame durant 10 ms, soit 38400 bits, il y aura 15 possibilités de début de
transmission répartis sur 2 trames :
possibilités de
début de transmission
5120
chips
...
1 trame = 10 ms = 38 400 chips
Possibilités de débuts de transmission sur le canal RACH
Chaque préambule, de longueur 4096 chips, est composé de 256 répétitions de la signature du mobile. Cette
signature est établie à partir des séquences de Hadamard de longueur 16. Il y a donc 16 signatures différentes.
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données
données
contrôle
symboles pilotes
voie I
taille_données
voie Q
slot RACH :
0,667 ms = 2560 chips
Slot 1
Slot 2
Slot 3
Slot 4
Slot 5
Slot 6
Slot 13
Slot 14
Slot 15
message : 10 ms
Format du burst d’accès RACH
3.1.5.2 Canaux dédiés
Ils sont au nombre de 2 :
FAUCH – Fast Uplink Signalling Channel – uplink
Canal optionnel utilisé par la station mobile pour transmettre des informations de contrôle. La méthode d’accès à
ce canal est similaire à celle utilisée pour le canal RACH : transmission de la signature du mobile. Cette
signature est elle aussi une des 16 séquences de Hadamard de longueur 16, étalée sur 4096 chips comme les
préambules du RACH. Les possibilités de début de transmission sont identiques à celles du RACH.
Pour éviter les collisions, le réseau attribue à chaque mobile concerné un numéro d’identifiant ‘fast access
identifier’ qui détermine exactement :
-
le slot de début de transmission : 1 parmi 15
-
la position de la signature à transmettre à l’intérieur de ce slot. Des décalages de 256 chips sont en effet
introduits pour séparer les utilisateurs :
-
s’ils sont 16 ou moins, chacun utilise une signature différente
-
s’ils sont plus nombreux, il faut réutiliser le jeu de 16 signatures ; elles sont donc transmises décalées de
256 chips pour la première réutilisation, de 512 pour la seconde… Ces 256 chips de décalage doivent
permettre de prendre en compte les différents délais de transmission dus aux positions relatives des
mobiles par rapport à la station de base.
DCH – Dedicated Channel – downlink ou uplink
Transporte des informations utilisateurs et de contrôle (équivalent des 3 canaux GSM TCH, SACCH et
SDCCH). Caractérisé par une adaptation rapide des débits (toutes les 10 ms) et un contrôle de puissance rapide.
Les données d’une communication particulière sont transportées sur deux canaux physiques :
-
le canal de données dédié DPDCH Dedicated Physical Data CHannel,
-
le canal de contrôle dédié DPCCH Dedicated Physical Control CHannel. Ce canal est utilisé pour
transmettre à chaque intervalle de temps les paramètres nécessaires au contrôle de la liaison :
-
les symboles pilotes assurant une détection cohérente du signal par estimation des caractéristiques du
canal de propagation (équivalent de la séquence d’apprentissage en GSM),
-
le contrôle de puissance (commande ou retour) : TPC,
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-
le format et le multiplexages utilisés pour les données transmises sur le DPDCH : TFI (facteur
d’étalement, de longueur 30 bits, codé sur 2 bits dans chacun des 15 slots de la trame), non présent si
l’utilisateur utilise un seul service à débit fixe,
sur la voie montante seulement, l’indication des diversité de transmission et de sites : FBI.
-
Ces deux canaux sont multiplexés en temps (sens downlink) ou en quadrature (sens uplink) à l’intérieur d’un
même intervalle de temps (slot) de 10/15 = 0,667 ms et transportés sur le canal DCH. L’introduction de ces slots
permet d’assurer un contrôle de puissance très rapide (toutes les 0,667 ms), même si l’utilisateur n’a pas de
données à transmettre (le canal DPDCH sera alors vide).
Du fait du multiplexage en quadrature sur la voie uplink, on peut noter que la séquence d’étalement appliquée au
canal DPDCH peut être différente de celle utilisée pour le canal DPCCH, ce qui n’est pas le cas pour la voie
downlink.
3.2
Le mode TDD
Ce paragraphe, moins complet, que le paragraphe sur le mode FDD précisera essentiellement les grandes
différences entre les deux modes d'accès.
3.2.1
Structure de trame TDD
Contrairement au W-CDMA, les voies montantes et descendantes sont réparties sur les 15 slots de la trame de
10 ms de manière symétrique ou non. Quelle que soit la configuration retenue, il est nécessaire de garder pour
chaque voie au minimum un slot parmi les 15 de la trame. Les slots dédiés à chaque voie peuvent être
consécutifs (on parle alors de configuration single-switching-point) ou non (on parle alors de configuration
multiple-switching-point) :
Slot 1
Slot 2
Slot 3
Slot 4
Slot 5
Slot 6
Slot 13
Slot 14
Slot 15
trame : 10 ms
Configuration ‘multiple-switching-point’
3.2.2
Le scrambling
La séquence utilisée pour le scrambling est de longueur 16.
3.2.3
La canalisation
Les séquences utilisées sont les mêmes que celles utilisées pour le W-CDMA : séquences Orthogonal Variable
Spreading Factor (OVSF). Elles sont de longueur inférieure ou égale à 16.
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3.2.4
Canaux radios
3.2.4.1 Canaux dédiés
Ils sont au nombre de 2 :
DCH – Dedicated Channel – downlink ou uplink
Canal utilisé pour transmettre les informations des utilisateurs.
Dans un slot, il est possible de transmettre plusieurs bursts d’informations (relatifs à différents utilisateurs ou à
différents services d’un même utilsateur).
Le format des bursts d’information peut être de deux types, le burst de type 1 ayant un midambule plus long.
Le burst de type 1 peut être utilisé en uplink et en downlink, indépendamment du nombre de bursts dans le slot.
Le burst de type 2 peut être utilisé en uplink si moins de 4 utilisateurs se partagent le slot et en downlink
indépendamment du nombre d’utilisateurs dans le slot. Cependant, chaque slot d’une cellule ne doit transporter
qu’un seul des deux types de bursts.
données
midambule
données
type 1 : 976 chips
type 2 : 1104 chips
type 1 : 512 chips
type 2 : 256 chips
type 1 : 976 chips
type 2 : 1104 chips
période
de garde
96 chips
Structure du DCH (facteur d’étalement : 1)
Facteur d’étalement
1
2
4
8
16
Nombre de chips
Burst de Type 1
Burst de Type 2
976 × 2
1104 × 2
488 × 2
552 × 2
244 × 2
276 × 2
122 × 2
138 × 2
61 × 2
69 × 2
Le TFI (facteur d’étalement utilisé), si il est transmis, est inclus dans le champ des données du burst, de part et
d’autre du midambule. Il doit être transmis au moins une fois par trame et est étalé du même facteur que les
données.
ODCH – ODMA Dedicated Transport Channel – downlink ou uplink
3.2.4.2 Canaux communs
Ils sont au nombre de 8 :
BCH – Broadcast Channel – downlink
Canal de diffusion à faible débit dans l’ensemble de la cellule.
PCH – Paging Channel – downlink
Canal de paging identique à celui du GSM.
FACH – Forward Access Channel – downlink
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Canal d’informations de contrôle ou de petits paquets utilisateurs ; possibilité d’effectuer un contrôle de
puissance uniquement lent sur ce canal.
RACH – Random Access Channel – uplink
Canal d’accès aléatoire identique à celui du GSM, mais il peut en plus transporter des petits paquets utilisateurs.
ORACH – ODMA Random Access Channel
SCH – Synchronisation Channel – downlink
Canal de synchronisation identique à celui du GSM.
USCH – Uplink Shared Channel – uplink
Canal associé à un DCH ou à un FACH.
DSCH – Downlink Shared Channel – downlink
Canal associé à un DCH (contrôle de puissance rapide) ou à un FACH (contrôle de puissance lent),
éventuellement diffusé sur l’ensemble de la cellule.
4
REFERENCES
[1] Gold R., "Optimal Binary Sequences for Spread Spectrum Multiplexing," IEEE Trans Inform Theory, vol IT13, pp 619-621, October 1967
[2] Gold R., "Maximal Recursive Sequences with 3-Valued Recursive Cross Correlation Functions," IEEE
Trans. Inform. Theory, vol IT-14, pp 154-156, January 1968
[3] Peterson W. W. and Weldon E. J. Jr , "Error-Correcting Codes", 2nd ed, MIT Press, Cambridge 1972
[4] IEEE Communication Magazine , "Wideband CDMA", September 1998, vol 36, n°9
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