HSDPA

OMAR RACHID HADJAR

ANALYSE, IMPLMENTATION ET VALUATION DE PERFORMANCE DE LA FUTURE MTHODE DACCS HSDPA

Mmoire prsent la Facult des tudes suprieures de lUniversit Laval dans le cadre du programme de matrise en Informatique pour lobtention du grade de matre s sciences (M.Sc.)

Dpartement dinformatique et de gnie logiciel FACULT DES SCIENCES ET DE GNIE UNIVERSIT LAVAL QUBEC

2006

c Omar Rachid Hadjar, 2006

RsumLa technologie HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) reprsente la premire tape dvolution de la mthode daccs du rseau mobile de troisime gnration UMTS (Universal Mobile Telecommmunications Service). Cette technologie permet dobtenir des dbits thoriques suprieurs 10 Mbps sur le lien descendant et de supporter des services valeur ajoute, tels que laccs Internet haute vitesse, le tlchargement de chiers audio et vido, la rception de programmes tlviss et la visiophonie. Ces amliorations sont rendues possibles grce une combinaison de proprits qui sont la base du HSDPA et qui consistent adapter le codage et la modulation en fonction des conditions du canal radio (AMC : Adaptative Modulation and Coding), eectuer des retransmissions rapides de paquets errons (HARQ : Hybrid Automatic Repeat reQuest) et utiliser des mthodes dordonnancement intelligentes plus rapides. Mme si lintroduction de ces nouvelles techniques contribue une augmentation de la capacit du systme, elle engendre toutefois une plus grande complexit dans lvaluation de ses performances dans des conditions relles. Dans ce contexte, nous proposons une implmentation et une valuation de la mthode daccs HSDPA qui prend en considration les spcications techniques des Node B et des terminaux mobiles dun systme UMTS. Les rsultats obtenus de cette implmentation, bass sur plusieurs scnarios utilisant des donnes gographiques relles, montrent que le systme russit satisfaire aux exigences des services multimdia.

AbstractHigh speed downlink packet access (HSDPA) is an add-on technology for W-CDMA that allows higher downlink data rates and greater base station capacity. With HSDPA, W-CDMA systems, which today are seemingly stuck at 384 kbps, will be able to shift gears and move ahead to so-called 3.5G performance with over 10 Mbps throughput on the downlink. The incorporation of HSDPA in Release 5 of the 3GPP W-CDMA specication is the most signicant change on the RF side since Release 99. Advanced techniques such as adaptive modulation and coding (AMC) and hybrid automatic repeat request (HARQ) are used to modify the coding and physical layer parameters adaptively in response to the instantaneous channel quality, thus enabling gains in spectral eciency and data rates. On the other hand, such improvements also bring a higher complexity degree in the evaluation of the radio subsystem performance. This evaluation is crucial for operators who are willing to provide value-added services with rich multimedia contents. This thesis aims at implementing and simulating a radio access network on a real geographic area using the HSDPA features. Results show that such features enable to satisfy the quality of service requirements needed to support the new data-oriented services.

Avant-proposEn premier lieu, je tiens remercier mon directeur de recherche, M. Ronald Beaubrun pour sa conance manifeste ds le dpart. Jaimerais dabord le remercier de mavoir donn lenvie dentamer ma matrise dans son domaine travers le cours quil dispose aux gradus. Mais aussi, je tiens le remercier pour lencadrement exceptionnel, laide nancire, les suggestions et la libert accorde tout au long de mon cheminement. Aussi, jaimerais exprimer ma gratitude envers toutes les personnes formidables que jai ctoyes pendant toute la dure de ma matrise au dpartement dinformatique et qui se reconnatront jen suis sr. Je ne saurais terminer sans remercier du fond de mon coeur ma famille et mes amis pour mavoir toujours soutenu.

Titis, ma grand-mre qui vit ternellement dans nos curs...

Table des matiresRsum Abstract Avant-propos Table des matires Liste des tableaux Table des gures Liste des acronymes 1 Introduction 1.1 Dnitions et concepts de base 1.2 lments de la problmatique 1.3 Objectifs de recherche . . . . 1.4 Plan du mmoire . . . . . . . ii iii iv vi viii ix xi 1 1 4 5 5 7 7 12 12 14 16 20 22 23 25 28 29 30 30

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2 Caractrisation du rseau daccs de lUMTS 2.1 volution des rseaux mobiles . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Mthodes daccs radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Techniques de base . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 talement de spectre par squences directes . . . 2.2.3 Codes dtalement . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Caractristiques du canal de propagation . . . . . 2.3 Prsentation du systme UMTS . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Services oerts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Couches de protocoles radio de linterface daccs 2.3.4 Description des canaux de transport . . . . . . . 2.4 Fonctions de la couche physique de lUTRAN . . . . . . 2.4.1 Chane de transmission UTRA/FDD . . . . . . .

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Table des matires

vii

2.4.2 Multiplexage et codage . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Application de ltalement de spectre . . . . . . 2.4.4 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Structure des canaux physiques . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Canaux physiques ddis de la voie montante . 2.5.2 Canaux physiques ddis de la voie descendante 2.5.3 Canaux physiques communs . . . . . . . . . . . 3 Analyse de la technologie HSDPA 3.1 Prsentation gnrale du HSDPA . . . . . . . . . 3.2 Mcanisme de retransmission hybride HARQ . . . 3.3 Modulation et codage adaptatifs . . . . . . . . . . 3.4 Canaux HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Fonctionnement de la couche physique . . . . . . 3.6 Ordonnancement rapide (Fast Scheduling) . . . . 3.7 Limitations des approches dvaluation proposes 4 Performances de la technologie HSDPA 4.1 Plan dexprimentation . . . . . . . . . . 4.2 Implmentation de la mthodologie . . . 4.2.1 Paramtres gographiques . . . . 4.2.2 Paramtres radio . . . . . . . . . 4.2.3 Modlisation du trac . . . . . . 4.3 Rsultats et analyse . . . . . . . . . . . .

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31 35 36 37 37 40 41 43 43 45 47 49 53 54 56 59 59 61 61 62 66 69 76 76 78 78 80

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5 Conclusion 5.1 Synthse des rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Limitations des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Orientations de recherches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie

Liste des tableaux2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Exemples de systmes cellulaires 1G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemples de rseaux numriques 2G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Classes de services de lUMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemples de formats des slots du DPDCH de la voie montante . . . . . Exemples de formats des slots du DPCCH de la voie montante (avec SF=256) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Exemples de formats des slots du DPCH de la voie descendante . . . . 8 9 25 39 39 41

3.1 Schmas de modulation et de codage MCS sur le lien DL . . . . . . . . 49 3.2 Catgories de terminaux supportant la technologie HSDPA . . . . . . . 49 3.3 Comparaison du canal HS-DSCH avec les autres canaux du lien descendant 50 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 Paramtres dune antenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Types dantennes considrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paramtres dun transmetteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paramtres caractrisant une cellule . . . . . . . . . . . . . . . Paramtres communs de simulations des Tx et des cellules . . Caractristiques des services oerts . . . . . . . . . . . . . . . Paramtres indiquant les dirents types de terminaux mobiles Paramtres des prols dusagers . . . . . . . . . . . . . . . . . Prols dusagers considrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Structure dune carte de trac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 64 65 65 66 67 67 68 68 69

Table des gures1.1 Architecture de base dun rseau mobile . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 3.1 3.2 3.3 3.4 volution vers la 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Accs multiple par rpartition de frquences (FDMA) . . . . . . . . . . Accs multiple par rpartition dans le temps (TDMA) . . . . . . . . . . Mthode daccs multiple rpartition de codes (CDMA) . . . . . . . . (a) metteur dun systme DS-CDMA et (b) processus dtalement . . Accs multiple dans un systme DS-CDMA avec deux utilisateurs . . . Exemple daccs multiple DS-CDMA avec 2 utilisateurs suivant la gure 2.6 : signal transmis par la BS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma gnrique dun registre dcalage n tats . . . . . . . . . . . Exemple de gnration des codes de Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . Modlisation du canal de propagation dans un rseau DS-CDMA . . . Eets combins des vanouissements court et long termes . . . . . . Architecture gnrale du rseau UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . lments du rseau daccs UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Couches de protocoles de linterface radio . . . . . . . . . . . . . . . . . Correspondance (mapping) entre les canaux de transport et les canaux physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fonctions de la couche physique dans la chane de transmission UTRA/FDD Multiplexage et codage du canal DCH sur le lien montant . . . . . . . Exemple dune chane dmission utilisant la modulation QPSK . . . . Structure des canaux physiques ddis DPDCH et DPCCH de la voie montante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Agencement des canaux physiques ddis dans une transmission en multicode dans la voie montante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Structure du canal physique ddi DPCH de la voie descendante . . . . Architecture systme avec le HSDPA . . . . . . . . . . . . . . . Technique HARQ dans la chane de codage du canal HS-DSCH . Principe de fonctionnement de lHARQ . . . . . . . . . . . . . . Constellations de la modulation 16-QAM et QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 10 12 13 13 14 18 19 20 20 21 22 26 27 28 30 31 33 36 38 40 41 44 47 47 48

Table des gures

x

3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Exemple de multiplexage de code avec deux usagers actifs . Relation du timing entre le canal HS-SCCH et le HS-DSCH Structure du canal HS-DPCCH . . . . . . . . . . . . . . . . Fonctionnement de la couche physique du HSDPA . . . . . .

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50 51 52 54 62 63 64 70 71 72 73 74 75 75

Carte DTM de la rgion de Nice (France) . . . . . . . . . . . . . . . tendue de la zone de calcul sur la carte gographique (Nice) . . . . Emplacement des sites dans la rgion de Nice . . . . . . . . . . . . Reprsentation des densits de trac correspondant au tableau 4.10 Distribution des usagers par service . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dbit correspondant au service daccs Internet MIA . . . . . . . . Dbit correspondant au service Visio . . . . . . . . . . . . . . . . . Dbit du service MMS par station de base . . . . . . . . . . . . . . Dbits obtenus pour chaque cellule du rseau sur le lien descendant Dbits obtenus pour chaque cellule du rseau sur le lien montant . .

Liste des acronymes0-9 3G 3GPP A AMC B BER BLER BS BSC C CDMA CQI CN D DS-CDMA DSCH E EDGE F FDD FDMA G GPRS GSM H HARQ HS-DSCH HSDPA 3rd Generation of wireless communication technology 3rd Generation Partnership Project Adaptive Modulation and Coding Bit Error Rate BLock Error Rate Base Station Base Station Controller Code Division Multiple Access Channel Quality Indicator Core Network Direct Sequence CDMA Downlink Shared CHannel Enhanced Data for Global Evolution Frequency Division Duplex Frequency Division Multiple Access General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications Hybrid Automatic Repeat reQuest High-Speed Downlink Shared Channel High Speed Downlink Packet Access

Liste des acronymes

xii

I IMT-2000 International Mobile Telephony ITU International Telecommunication Union M MSC MCS MMS MS O OVSF Q QAM QoS QPSK R R99 RLC RNC RNS RRC R SF SGSN SIR SNR T TDMA TTI Tx U UE UMTS UTRAN W WCDMA Wideband CDMA User Equipment Universal Mobile Telecommmunications System UMTS Terrestrial Radio Access Network Time Division Multiple Access Transmission Time Interval Tranmitter Spreading Factor Serving GPRS Support Node Signal to Interference Ratio Signal to Noise Ratio Release 99 Radio Link Control Radio Network Controller Radio Network Sub-system Radio Resource Control Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying Orthogonal Variable Spreading Factor Mobile Switching Center Modulation and Coding Schemes Multimedia Messaging Service Mobile Station

Chapitre 1 IntroductionDepuis le dbut des annes 90, nous assistons un vritable engouement pour le dveloppement des rseaux mobiles. Ces rseaux ont eu un succs tel que leur nombre dabonns dpasse actuellement celui des rseaux xes1 . Cet engouement est d, dune part, un besoin de mobilit et, dautre part, la panoplie de nouveaux services oerts, comme laccs Internet haute vitesse, le tlchargement de chiers audio et vido, la rception de programmes tlviss et la visiophonie. De tels services ne peuvent tre disponibles sans une augmentation signicative du dbit du lien radio. Cette augmentation dpend essentiellement de la mthode utilise par un terminal mobile pour accder au rseau, cest--dire la mthode daccs . Ce mmoire porte sur la future mthode daccs HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), en mettant lemphase sur sa capacit supporter ces services multimdia. Dans ce chapitre dintroduction, nous dnirons dabord les concepts de base, puis nous dgagerons les lments de la problmatique et prsenterons nos objectifs de recherche. Nous terminerons alors le chapitre par la prsentation des grandes lignes du mmoire.

1.1

Dnitions et concepts de base

Un rseau mobile est un rseau qui permet la communication entre individus mobiles, par lintermdiaire dun lien ou canal radio. Il est essentiellement constitu de deux soussystmes : un sous-systme radio et un sous-systme rseau, comme illustr la gure 1.1 [30]. Le sous-systme radio comprend tous les quipements ncessaires la gestionSelon Wireless Intelligence, une entreprise dtude et danalyse cre par la GSM Association et la socit de conseil Ovum.1

Chapitre 1. Introduction

2

Sous-systme rseau

PSTN

HLR

MSC 1

MSC 2

Sous-systme radio

BSC1

BSC 2

BSC 3

UL DL

PSTN : Public Switch Telephone Network MSC : Mobile Switching Center HLR : Home Location Register BSC : Base Station Controller BS : Base Station MS : Mobile Station

BS

MS

Fig. 1.1 Architecture de base dun rseau mobile de linterface radio et des transmissions. Il est principalement constitu de deux entits : les contrleurs de stations de base BSC (Base Station Controller ) et les stations de base BS (Base Station). Le BSC gre les ressources radio, supervise les accs et le contrle de puissance. Il permet aussi de concentrer le trac des stations de base vers les MSC. Une station de base est un quipement contenant une ou plusieurs antennes de transmission, qui dessert plusieurs utilisateurs mobiles, muni de terminaux MS (Mobile Station), se trouvant dans une rgion donne, appele galement cellule . Ces cellules sont communment modlises par des hexagones dont le rayon varie de quelques centaines de mtres quelques kilomtres. Les BS permettent galement de mesurer les paramtres radio ncessaires la supervision des communications en cours et de retransmettre ces mesures aux BSC. Dans les zones denses, comme les centre-villes, des antennes dites tri-sectorielles sont utilises pour subdiviser chaque cellule en trois secteurs distincts. Dans le sous-systme rseau, les MSC constituent linterface entre les abonns et le rseau tlphonique PSTN (Public Switch Telephone Network ). Ils grent les appels et assurent des fonctions telles que la commutation ou la dtection du dcroch/raccroch du terminal mobile. Le sous-systme rseau contient galement une base de donnes nominale, appele HLR (Home Location Register ), qui contient toutes les donnes des


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usagers, ainsi que leur localisation. La communication entre deux MS ncessite lutilisation de deux liens radio parallles : un lien montant UL (UpLink ) pour toutes les communications allant du terminal mobile vers la station de base et un lien descendant DL (DownLink ) pour transporter les informations dans le sens contraire. Pour un oprateur donn, le nombre de canaux est limit. Il est alors impensable de rserver en permanence une paire de canaux chaque abonn. Do la ncessit de dnir des mthodes an de permettre tous daccder au rseau. Ces mthodes sont souvent appeles mthodes daccs multiple . Il existe trois mthodes daccs de base [30] : le FDMA (Frequency Division Multiple Access) : accs multiple par rpartition de frquences ; le TDMA (Time Division Multiple Access) : accs multiple par rpartition dans le temps ; le CDMA (Code Division Multiple Access) : accs multiple par rpartition de codes. Utilis dans les rseaux mobiles de premire gnration (1G), le FDMA permet dallouer chaque utilisateur un canal avec une bande de frquences unique. Dans ce cas, un seul utilisateur peut se servir de ce canal pendant la dure dune communication. Lintroduction du TDMA a permis non seulement le passage vers une transmission numrique qui donna lieu une deuxime gnration de rseaux mobiles (2G), mais aussi la capacit du rseau desservir un plus grand nombre dutilisateurs [30]. En eet, avec cette technique, chaque canal radio est subdivis en plusieurs intervalles de temps ou slot et chaque utilisateur se voit attribuer un slot de temps donn. Dans le cas du CDMA, la bande de frquences nest pas subdivise, alors que tous les utilisateurs se partagent la totalit de la bande disponible. Chaque utilisateur se voit attribuer un code connu exclusivement de lmetteur et du rcepteur. Lattribution des codes est ralise selon le principe dtalement de spectre. Le CDMA est particulirement privilgi pour tre la base des mthodes daccs des futurs rseaux mobiles, car il permet daugmenter non seulement le nombre dutilisateurs, mais aussi le dbit des donnes sur le lien radio. Ainsi, la n des annes 90, une volution du CDMA, le WCDMA (Wideband CDMA), a t lance, promettant des dbits susamment levs, en thorie, pour supporter des services riches en multimdia [30]. En pratique, ce standard norait pas encore le dbit requis par des services valeur ajoute. Cest la raison pour laquelle une autre volution du nom de HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) a t propose. Cette dernire technologie permet daugmenter le dbit du lien descendant, jusqu un maximum de 14 Mbps, en utilisant les proprits suivantes :


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lAMC (Adaptative Modulation and Coding) qui consiste adapter le dbit selon la qualit de la transmission du lien radio ; le HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) qui reprsente un mcanisme de retransmission rapide de donnes errones ; les algorithmes dordonnancement rapide permettant dallouer ecacement les ressources radio aux dirents utilisateurs. De faon gnrale, lvaluation de performance dune mthode daccs consiste estimer des paramtres de qualit de service, comme le dbit binaire sur le lien radio, les dlais de transmission et le taux derreurs binaires. Dans le but destimer ces paramtres, il faut disposer dun rseau daccs dont les composants peuvent tre onreux. Il est alors prfrable davoir recours des solutions logicielles pour simuler le fonctionnement dun rseau daccs. Dans le contexte de notre recherche, lvaluation de performance consiste estimer le dbit binaire dun rseau daccs utilisant la technologie HSDPA, qui supporte des services valeur ajoute, tels que laccs rapide Internet, la messagerie multimdia et la visiophonie. Dans notre valuation, nous tiendrons compte des paramtres gographiques de la zone couverte par le rseau mobile considr.

1.2

lments de la problmatique

Plusieurs recherches ont t menes pour valuer la performance de la technologie HSDPA [11], [18], [21]. Cependant, aucune dentre elles nutilise de mthodologie explicite dans lvaluation de performance. Dans [18], plusieurs types (6) dalgorithmes dordonnancement ont t tudis et compars. Cette comparaison a permis dillustrer le compromis entre la capacit dune cellule et lquit dans lallocation des ressources aux utilisateurs. Toutefois, cette tude suppose que tous les utilisateurs transmettent la mme quantit de donnes, ce qui est loin dtre le cas dans la ralit. Dans ltude ralise dans [11], une extension dun simulateur de la mthode daccs WCDMA a t propose et des modications ont t apportes dans le but de prendre en charge lvolution du HSDPA. Les rsultats obtenus concernant le dbit sur le lien descendant dpassent les 12.8 Mbps. Toutefois, un tel dbit na pu tre obtenu que pour un nombre restreint de stations de base. Quel serait alors le dbit si le rseau contenait un nombre plus important de BS ? Par ailleurs, Love et al. [21] ont men une tude faisant une comparaison de performances, en terme de dbit par cellule, entre la mthode daccs WCDMA et son


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volution avec la technologie HSDPA, ce qui a permis de montrer les amliorations apportes par cette volution. Nanmoins, les simulations ralises dans cette tude ne tiennent compte que du service daccs Internet. De plus, cette tude fait abstraction des phnomnes qui aaiblissent la puissance du signal compte tenu des reliefs gographiques et des obstacles que lon peut trouver dans une rgion sur laquelle on veut planier un rseau mobile. Il est alors opportun de se questionner sur les performances de la mthode daccs HSDPA dans des conditions relles de fonctionnement et sur sa capacit supporter des services valeur ajoute.

1.3

Objectifs de recherche

Dans ce mmoire, nous visons comme objectif principal lanalyse, limplmentation ainsi que lvaluation de performance de la future mthode daccs HSDPA. De manire plus spcique, nous visons : 1. dterminer les paramtres importants qui inuencent les performances dune mthode daccs de manire dduire ceux de la technologie HSDPA ; 2. concevoir une mthodologie dvaluation de performance bien dnie dans le but dassurer une valuation rigoureuse et complte de la technologie HSDPA ; 3. simuler le fonctionnement dun rseau daccs, en tenant compte des spcications des stations de base ainsi que celles des terminaux mobiles ; 4. mesurer les dirents dbits binaires sur le lien radio pour chaque station de base du rseau et valuer la capacit de la mthode HSDPA supporter des services valeur ajoute.

1.4

Plan du mmoire

La suite du mmoire est constitue de quatre chapitres. Dans le chapitre 2, nous tablissons une revue slective de littrature lie au rseau daccs de lUMTS, en mettant laccent sur les concepts de base ainsi que les paramtres importants considrer. Le chapitre 3 traite des caractristiques spciques la technologie HSDPA ainsi que les modications engendres par lintroduction de cette dernire au niveau du rseau daccs de lUMTS. cette tape, nous serons en mesure de comprendre la complexit lie lvaluation de performance de cette technologie. Le chapitre 4 prsente notre mthodologie dvaluation de performance et les dtails dimplmentation de la technologie


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HSDPA. Cette mthodologie servira dcrire les tapes ncessaires limplmentation dun rseau daccs base de HSDPA lissue de laquelle nous serons en mesure dexcuter nos simulations laide dun outil de planication radio. Les rsultats de ces simulations seront prsents et analyss. Au chapitre 5, nous synthtisons lensemble des rsultats obtenus. Cette synthse sera accompagne dune discussion sur les limites de notre approche dvaluation de performance et par des suggestions dorientations de recherche.

Chapitre 2 Caractrisation du rseau daccs de lUMTSLe rseau mobile UMTS est un systme qui vise utiliser la technologie HSDPA an de pouvoir orir une multitude de services valeur ajoute. Dans ce chapitre, nous faisons une synthse des principales caractristiques du rseau daccs du systme UMTS. Nous commencerons par prsenter lvolution des standards de rseaux mobiles classs sous forme de gnrations. Puis, nous ferons ltude des mthodes daccs dans les rseaux mobiles et plus particulirement celles base de CDMA. Par la suite, nous prsenterons larchitecture gnrale du rseau mobile de troisime gnration UMTS, ainsi que les classes de services quil supporte. Nous nous intresserons particulirement au sous-systme radio de lUMTS et ses protocoles. Pour terminer, nous dtaillerons les fonctions de la couche physique et la structure des canaux physiques.

2.1

volution des rseaux mobiles

La premire gnration de rseaux mobiles est souvent appele rseaux cellulaires en raison de la subdivision en cellules de ltendue gographique du rseau. la n des annes 80, le premier rseau cellulaire, baptis AMPS (Advanced Mobile Phone Service), a vu le jour Chicago. Par la suite, plusieurs pays ne tardent pas lancer leurs propres rseaux que nous pouvons rsumer dans le tableau 2.1 [30]. Lensemble des rseaux cellulaires fonctionne en mode de transmission analogique et utilise la technique daccs FDMA.

Chapitre 2. Caractrisation du rseau daccs de lUMTS

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Standard AMPS TACS E-TACS NMT450 NMT900 C450 RMTS NTT

Bande de frquences DL (MHz) 869-894 935-960 917-950 463-467.5 935-960 460-465.74 460-465 870-885

Bande de frquences UL (MHz) 824-849 890-915 872-905 453-457.5 890-915 450-455.74 450-455 925-940

Largeur de bande dun canal (kHz) 30 25 25 25 12.5 10 25 25/6.25

Tab. 2.1 Exemples de systmes cellulaires 1G

Malgr le succs de ces rseaux cellulaires, un problme important apparaissait lorsque le nombre dutilisateurs augmentait car ceux-ci avaient tendance tre plutt regroups dans des zones urbaines et cela aectait invitablement la capacit en terme de nombre dutilisateurs de cette rgion. En plus de ce problme, des cas de fraude importants ont commenc faire surface, ce qui a ncessit des amliorations ncessaires et urgentes devant tre apportes cette premire gnration. Au dbut des annes 90, la deuxime gnration de rseaux mobiles a fait son apparition. linstar de la premire gnration qui est analogique, les systmes de la 2G sont tous numriques. Ce passage ore plusieurs avantages, dont une augmentation de la capacit, une meilleure scurit contre les fraudes ainsi que de nouveaux services, comme la messagerie texte SMS (Short Message Service). Lun des standards les plus rpandus de la 2G est sans doute le GSM (Global System for Mobile Communications). Le GSM a t lanc en 1991 et a t dvelopp en tant que standard ayant pour but dtre utilis partout travers les pays dEurope dont la plupart utilisaient des systmes 1G dirents. Comme nous pouvons le constater partir du tableau 2.2, la majorit des systmes 2G utilisent la technique TDMA. Cependant, au mme moment, un systme appel IS-95 (ou cdmaOne) base de CDMA fait son apparition en Amrique du nord. On annonait, avec le CDMA, non seulement des gains en terme du nombre dutilisateurs, mais aussi une qualit suprieure de la voix ainsi quune simplication de la planication du systme [30]. Les systmes de deuxime gnration orent plusieurs avantages par rapport aux systmes analogues, mais restent nanmoins concentrs sur loptimisation dun seul service : la voix. Le dbit de transfert de donnes na pas t une priorit et reste assez limit lre des communications multimdia [30]. Pour palier cette situation, une


9

Standard GSM IS-136 IS-95 iDEN PDC

Bandes de frquences DL et UL (MHz) 935-960 et 890-915 869-894 et 824-849 869-894 et 824-849 851-866 et 806-821 935-960 et 890-915

Mthode daccs TDMA TDMA CDMA TDMA TDMA

Largeur du canal 200 kHz 30 kHz 1.25 MHz 25 kHz 25 kHz

Utilisateur par canal 8 3 64 3/6 3/6

Region Europe/Asie .U.A. .U.A./Asie .U.A. Japon

Tab. 2.2 Exemples de rseaux numriques 2G

technologie de transition, souvent dnote par 2.5G, a t dveloppe. Cette volution avait pour but de permettre aux oprateurs de rseaux mobiles de dployer des services de donnes plus ecaces tout en gardant la mme infrastructure de leurs rseaux 2G. Ces services se basent sur la technique de commutation par paquets utilise dans le rseau Internet. Le GPRS (General Packet Radio Service) est une solution qui a t introduite dans les rseaux GSM la n des annes 90 [30]. Ce systme propose des dbits maximums (peak rate) de lordre de 115 kbps [13]. Une seconde tape de cette volution, du nom de EDGE (Enhanced Data for Global Evolution), est propose en conjonction avec GPRS. Celle-ci permet, en thorie, de tripler le dbit obtenu avec le GPRS, soit un maximum de 473.6 kbps. Cependant, ces dbits taient loin dtre atteints avec un nombre dutilisateurs constamment en augmentation [11]. Dans un environnement o lInternet, le e-commerce et le multimdia sont trs prsents, les rseaux qui orent un support limit en transferts de donnes prsentent un inconvnient majeur. Les utilisateurs ne veulent pas seulement parler, mais ils veulent aussi naviguer sur le web sans attendre trop longtemps quune page sache, envoyer des courriels comme ils le font sur un ordinateur. Ces utilisateurs veulent non seulement avoir tous ces services leur disposition, mais aussi tre libres de leurs mouvements en les utilisant. An de satisfaire ces besoins, dautres technologies sont ncessaires, notamment celles qui formeront une troisime gnration de rseaux mobiles. Plusieurs organisations se sont mis au travail pour dnir ces nouvelles technologies [13]. LITU (International Telecommunication Union) a regroup plusieurs de ses travaux sous le nom de IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000 ). Ces travaux ont abouti aux recommandations qui touchent, entre autres, au dbit binaire sur le lien radio (allant de 144 kbps jusqu 2 Mbps selon la mobilit et lenvironnement o se trouve lusager), la diversit des services (comme le multimdia) et la frquence dopration de ces rseaux, en loccurrence la bande des 2-MHz. En gnral, lITU ne disait pas comment on pouvait raliser ses recommandations


10

de manire spcique. Par consquent, lITU a sollicit des propositions techniques des organisations manifestant un intrt et par la suite dcidait de retenir ou pas cette proposition. Quelques propositions de techniques daccs radio ont t retenues et, parmi les plus importantes, guraient le WCDMA et le CDMA2000 comme lillustre la gure 2.1. Le WCDMA supporte deux modes de duplexage : le duplexage en frquences FDD (Frequency Division Duplex ) qui constitue la technologie UTRA/FDD et le duplexage temporel TDD (Time Division Duplex ) formant lUTRA/TDD [16]. La largeur de bande dun canal utilise dans le WCDMA/FDD a t xe 5 Mhz [26]. Le WCDMA a t propos par linstitut des standards de tlcommunication europen ETSI (European Telecommunications Standards Institute) qui utilisera le mode UTRA/FDD en Europe. Le Japon a galement soumis une solution, du nom de FOMA (Freedom Of Multimedia Access), base de WCDMA, mais tolrant les deux modes de duplexage. An duniformiser les deux solutions, les rseaux 3G base de WCDMA sont regroups sous lacronyme UMTS (Universal Mobile Telecommmunications System) et permettent de supporter les deux modes FDD et TDD. Quant lAmrique du Nord, elle opte pour le CDMA2000. Il existe dautres standards, mais nous limiterons notre tude aux rseaux utilisant la technique daccs WCDMA avec le mode FDD.2001 2002 2003 2004 2005 2006

Japon

PDC

FOMA

WCDMA

UMTS

HSDPA

HSUPA

HSCSD Europe GSM GPRS EDGE

DAMPS 3XMC IS95b Amrique IS95a 1XMC 1XEVDO 1XEVDV

cdma2000iDEN

Systme 2G Systme 3G

Evolution simple Evolution ncessitant une nouvelle mthode de modulation Evolution ncessitant un systme radio entirement diffrent

Fig. 2.1 volution vers la 3G Comme plusieurs groupes travaillaient sur des technologies similaires, il tait vident que la mthode la plus ecace tait de rassembler ces ressources. Par consquent, deux groupes ont t crs : le 3GPP (The 3rd Generation Partner Project) qui travaille sur le systme UMTS bas sur le WCDMA et le 3GPP2 qui dveloppe le standard CDMA2000.


11

LUMTS fait partie de la famille IMT-2000 et dont les spcications techniques sont dveloppes au sein du 3GPP. la n de lanne 1998, le 3GPP dbuta ses activits et le travail technique dtaill commena en 1999, ayant comme but la premire version de spcications communes appel Release 99 1. Elle constitue alors le premier ensemble complet de recommandations permettant le dploiement commercial dun rseau UMTS. Par la suite, le 3GPP a pris comme convention que les nouvelles versions ou releases des spcications techniques de lUMTS, aprs celle de 1999, ne seraient plus associes une anne, mais plutt aux nouvelles fonctionnalits quelles comporteraient [30]. Ainsi, la Release 2000 est divise en Release 4 et 5. La Release 6 a t nalise la n de lanne 2004 alors que les Releases 7 et 8 sont en cours. Les documents techniques de la R99 ainsi que les versions ultrieures sont regroups sous forme de sries numrotes de 21 35. Ces documents couvrent, soit des spcications, soit des rapports techniques. Les spcications techniques TS (Technical Specication) sont les documents qui dcrivent la norme UMTS. La plupart du temps, il y a plusieurs versions pour ces spcications qui pourront tre publies lorsque les dirents organismes de normalisation le jugeront appropri. Ces spcications ne deviennent ocielles quaprs leur publication. Quant aux rapports techniques TR (Technical Report), ils reprsentent des documents de travail intermdiaires du 3GPP qui peuvent devenir des spcications techniques. Une grande partie de ce chapitre, ainsi que tout ce que nous prsenterons en relation avec le systme UMTS, se basera essentiellement sur les spcications de la version R99. Selon la R99, le dbit maximal du WCDMA est x 2 Mbps [1]. Ce chire est optimiste car il est loin dtre le dbit moyen et il ne cesse de dcrotre lorsque le nombre dutilisateurs dans une cellule augmente, comme le montrent certaines tudes [21]. An dy remdier, le HSDPA a t propos dans la Release 5 du WCDMA. Cette nouvelle technologie annonce des dbits pouvant aller au del de 10 Mbps sur le lien descendant [23]. Un autre avantage du HSDPA rside dans le fait quil pourra tre dploy sans changer radicalement larchitecture de lUMTS dnie dans la version R99 et permettra du coup aux oprateurs de raliser cette volution moindre cot. Dautres travaux, regroups sous le sigle HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), visent galement obtenir, dans le futur, de hauts dbits sur le lien montant [27].1

Release 99 est souvent not Rel99 ou simplement R99 dans la littrature


12

2.2

Mthodes daccs radio

Dans cette section, nous allons prsenter les mthodes daccs de base avant de dtailler le principe dtalement de spectre sur lequel sappuie le CDMA. Nous verrons ensuite les codes dtalement utiliss dans le processus dtalement. Pour terminer, nous voquerons les principales caractristiques du canal de propagation.

2.2.1

Techniques de base

Parmi les mthodes daccs de base, le FDMA reprsente la technique la plus utilise dans les rseaux mobiles de premire gnration. Avec cette mthode, le spectre est divis en plusieurs canaux radio avec une largeur de bande (LB) xe comme illustr la gure 2.2. Quand un usager dsire eectuer un appel, un des canaux est alors exclusivement allou cet usager pendant toute la dure de la communication. Cette technique sapplique principalement aux signaux analogiques.Canal 1 Canal 2 Canal 3 Voie montante

Frquence

Canal 1 Canal 2 Canal 3 Voie descendante

Temps

Fig. 2.2 Accs multiple par rpartition de frquences (FDMA) Le TDMA est surtout utilis dans les systmes de deuxime gnration, tels que le GSM ou le IS-136 (appel aussi Digital AMPS) [30]. Par cette technique, une mme bande de frquences est partage par un certain nombre dutilisateurs qui se voient attribus un intervalle (slot) de temps unique, comme le montre la gure 2.3. Dans le cas de la norme europenne GSM, chaque canal de 200 kHz est divis en huit tranches de temps, tandis que selon la norme amricaine IS-136, chaque canal de 30 kHz est divis en trois tranches de temps. Ces systmes permettent davoir, dans des conditions relles dutilisation, une capacit en terme de nombre dutilisateurs 3 6 fois suprieure celle des systmes qui se basent sur le FDMA [30].


13

Canal 1 Canal 2

Usager 1 Usager 2 Usager 3 Usager 4 Usager 5 Usager 6

Voie montante

Frquence

Canal 1 Canal 2

Usager 1 Usager 2 Usager 3 Usager 4 Usager 5 Usager 6

Voie descendante

Temps

Fig. 2.3 Accs multiple par rpartition dans le temps (TDMA) Quant au CDMA, elle constitue une mthode daccs o tous les utilisateurs partagent la mme bande de frquences comme illustr la gure 2.4. La technique dtalement de spectre est utilise pour aecter chaque utilisateur un code, ou squence, unique qui dtermine les frquences et la puissance utilises. Le signal contenant linformation de lmetteur est modul avec la squence qui lui est attribue, ensuite le rcepteur recherche la squence en question. En isolant toutes les squences provenant des autres utilisateurs (qui apparaissent comme du bruit), le signal original de lutilisateur peut alors tre extrait.Frquence

Utilisateur 1 Utilisateur 2 Utilisateur N-1Bande totale du lien montant ou descendant

Utilisateur Utilisateur N Utilisateur 1 Utilisateur 11

Temps

Fig. 2.4 Mthode daccs multiple rpartition de codes (CDMA) Parmi les techniques talement de spectre, on peut citer le FH-CDMA (Frequency Hopping CDMA) et le DS-CDMA (Direct-Sequence CDMA). Le FH-CDMA consiste taler le spectre par des sauts de frquences. Cependant, cette technique ntant pas utilise dans le systme UMTS, son tude est peu pertinente dans le cadre de notre recherche. Il est donc recommand de se rfrer [26] pour plus de dtails. Quant au


14

DS-CDMA, appel aussi CDMA squences directes , il est la base du processus dtalement de spectre dans le standard WCDMA.

2.2.2

talement de spectre par squences directes

Dans ce type dtalement de spectre, le signal dinformation est directement modul par une squence ou code appel code dtalement . La gure 2.5 illustre le fonctionnement de cette technique ; la gure 2.5a montre les principaux lments dun metteur DS-CDMA. Parmi ces lments, on trouve principalement un gnrateur deHorloge chip Gnration de codes2 Multiplicateur

Source dinformation1 Dbit symbole (variable) 3 Dbit chip (fixe)

Modulation RF et transformation (s) du signal avant lmission

a) Emetteur DS-CDMA2 Codes dtalement chips 3 Signal tal B s pr = 1/T c Frquence ck(4)

ck

(3)

ck

(2)

ck

(1)

TsBs = 1/T s d k( n)

Tc(n) (n)

ck (2) dk (n)

dk

dk

dk Tc ck(1)

(n)

(4)

ck

1 Symbole dinformation Ts Temps

b) Processus dtalement

Fig. 2.5 (a) metteur dun systme DS-CDMA et (b) processus dtalement codes dtalement et un multiplicateur . Le code gnr constitue une squence de longueur xe dont chaque lment constitue un chip . Le processus dtalement est illustr dans la gure 2.5b, qui montre le code dtale(p) ment du k -ime utilisateur qui est reprsent par la squence de chips ck , o p = 1, 2, 3...M et o M reprsente la longueur du code (M = 4 dans cet exemple). Chaque

ck

(3)

1/T c


15

chip a une dure Tc et une amplitude gale +1 ou 1. Le dbit avec lequel varie linformation tale est appel dbit chip (ou chip rate) que lon notera Bspr . Ce dbit est gal 1/Tc , exprim en chips par seconde (cps). Dautre part, le n-ime symbole du message dinformation1 de lutilisateur k est (n) not dk , o n = 1, 2.... Ainsi, et de manire similaire, nous pouvons aussi noter la dure de chaque symbole par Ts , partir de laquelle nous pouvons galement formuler le dbit symbole Bs = 1/Ts exprim en symboles par seconde (sps). Il est important de constater que ce dbit symbole est variable dans un systme DS-CDMA, car il dpend du service oert (voix, vido ou donnes), tandis que le dbit chip Bspr est constant et x 3.84 Mcps (Millions de chips par seconde). Le rapport entre le dbit du signal tal et le dbit du signal non tal est appel facteur dtalement SF (Spreading Factor ). Il reprsente une proprit importante de ltalement de spectre et sexprime par : SF = Bspr 1/Tc Ts = = Bs 1/Ts Tc (2.1)

Par consquent, le facteur dtalement dans un systme DS-CDMA est gal au nombre de chips utiliss pour taler un symbole dinformation. Aprs la gnration des codes, le processus dtalement se droule multipliant le message par +1 ou 1. Selon la gure 2.5b, il apparat Ts > Tc , do Bspr > Bs . On comprend alors comment on passe dun troite vers un signal large bande. Finalement, le signal subit une frquence et il est mis sur une frquence porteuse avant dtre envoy. simplement en clairement que signal bande modulation en

Au niveau de la rception, il sut de reprendre la chane dans lordre inverse, notamment en dmodulant dans un premier temps le signal reu, pour ensuite le multiplier par le mme code dtalement utilis lors de lmission. la suite de cette multiplication, nous obtiendrons le message dinformation dstal (exprim en dbit symbole). Toutefois, il doit y avoir une parfaite synchronisation entre le rcepteur et lmetteur pour pouvoir dstaler correctement le signal dinformation.Nous utiliserons lappellation symbole au lieu de bit, car en pratique, ltalement est appliqu sur le signal dinformation aprs avoir subi une modulation numrique. Un symbole comporte gnralement une information de phase et damplitude, alors quun bit contient seulement une information damplitude.1


16

2.2.3

Codes dtalement

Le choix des codes dtalement est dict par leurs proprits de corrlation, et plus prcisment par leurs proprits dautocorrlation et dintercorrlation [26]. Du point de vue statistique, lautocorrlation est une mesure de la correspondance entre un code et une version dcale de celui-ci. Soit le code ci de longueur M tel que ci = [ci (0), ci (1), ..., ci(M 1)]. On dnit sa fonction dautocorrlation Rci (t) de la manire suivante :M 1t k=0

Rci (t) =

ci (k)ci (k + t)

(2.2)

Par ailleurs, lintercorrlation reprsente le degr de correspondance entre deux codes dirents. Lexpression mathmatique de la fonction dintercorrlation Rci cj (t) de deux codes ci et cj de longueur M scrit :M 1t

Rci cj (t) =k=0

ci (k)cj (k + t)

(2.3)

o ci = [ci (0), ci (1), ..., ci(M 1)] et cj = [cj (0), cj (1), ..., cj (M 1)]. On suppose que les chips dans les expressions 2.2 et 2.3 prennent des +1 ou des 1 comme valeurs. Cette notation, appele notation polaire , est utilise pour eectuer les corrlations laide de simples additions arithmtiques. Ainsi, les 1 sont reprsents par des 1 et les 0 par des +1. Cette reprsentation sera utilise par la suite sans perte de gnralit. Dans un contexte daccs multiple, on peut comprendre intuitivement lutilit que reprsentent des codes caractriss par une autocorrlation qui satisfait Rci (t) = 0 pour t = 0, avec Rci (0) = M et par une fonction dintercorrlation nulle : Rci cj (t) = 0 pour tout t. En eet, les codes ayant une fonction dintercorrlation nulle simplieraient la tche de lmetteur et du rcepteur qui pourraient communiquer via un mme code tout en faisant abstraction des autres utilisateurs qui transmettent dans le mme temps, sur la mme frquence, mais avec des codes distincts. Par ailleurs, si la fonction dautocorrlation est nulle pour t = 0, linterfrence cause par les trajets multiples, que pourrait prendre le signal, peut tre annule. Si la fonction dintercorrlation entre deux codes dirents ci et cj satisfait Rci cj (0) = 0, on dit que les deux codes sont orthogonaux. Dans le cas o les codes ne sont pas compltement orthogonaux, un rsidu dintercorrlation apparat entre le code de lutilisateur qui nous intresse et celui des autres utilisateurs dans la cellule. Ce rsidu donne lieu une forme dinterfrence, trs peu apprcie par les concepteurs des rseaux base de CDMA quon appelle interfrence daccs multiple MAI (Multiple Access


17

Interference). Cette dernire est dautant plus gnante que la puissance dmission des autres utilisateurs est mal rgle. Dans la plupart des systmes de rseaux mobiles fonds sur le DS-CDMA, les codes utiliss pour eectuer le processus dtalement sont de deux types : les codes de WalshHadamard et les codes pseudo-alatoires . Les codes orthogonaux utiliss en DSCDMA sont choisis daprs un ensemble de fonctions proposes par Walsh [26]. Il existe plusieurs manires de gnrer les squences de Walsh [20]. La gnration par des matrices de Hadamard est lune des plus courantes. Ces matrices, toujours carres, peuvent tre gnres de la manire rcursive suivante : H2M = HM HM HM HM (2.4)

o HM contient les mmes lments que HM , mais avec le signe invers (les +1 sont changs par des 1 et vice versa) et M est une puissance de 2. Par exemple, si lon veut obtenir quatre codes orthogonaux c1 , c2 , c3 , c4 , il faudra gnrer une matrice de Hadamard dordre 4. On a donc daprs 2.4 : +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 1 +1 1 , H4 = H1 = [1], H2 = (2.5) +1 1 +1 +1 1 1 +1 1 1 +1 o c1 = [+1 + 1 + 1 + 1], c2 = [+1 1 + 1 1], c3 = [+1 + 1 1 1] et c4 = [+1 1 1 + 1]. An de mieux comprendre lutilisation des codes dtalement en DS-CDMA, nous allons prendre un exemple1 simple o une station de base communique, sur la voie descendante, avec deux utilisateurs prsents dans la cellule comme le montre la gure 2.6. Les codes orthogonaux c1 = [+1 1 + 1 1] et c2 = [+1 + 1 1 1] sont utiliss pour distinguer les deux utilisateurs. Ces codes talent respectivement les symboles dinformation de lutilisateur 1 et de lutilisateur 2. On va supposer que linformation que lon souhaite transmettre lutilisateur 1 (1) (2) est contenue dans les symboles nots d1 = +0, 9 et d1 = 0, 7, tandis que celle de (1) (2) lutilisateur 2 est comprise dans d2 = 0, 8 et d2 = +0, 6. La gure 2.7 illustre le (n) (n) processus dtalement des messages reprsents par les symboles d1 et d2 et montre aussi la forme des signaux dans chacun des points numrots dans la gure 2.6.Soulignons que cet exemple est purement didactique et ne prend pas en compte les imperfections du modulateur et du dmodulateur RF.1


18

Station de base1 3

d1

(n)

2

c1

7

Utilisateur 1Modulation RF et transformation (s) du signal avant lmission Dmodulation RF et reconstitution du signal la rception 8 10

+4 6

d 1(n)9

d2 (n)5

c1

c2

Utilisateur 2Dmodulation RF et reconstitution du signal la rception 8 10

d2 (n)9

c2

Fig. 2.6 Accs multiple dans un systme DS-CDMA avec deux utilisateurs On peut voir sur la gure 2.7 que ltalement de spectre a lieu en multipliant tout simplement les symboles dinformation par les codes respectifs de chaque utilisateur. Il faut noter aussi que le signal total transmis par la station de base est la somme arithmtique des chips issus du processus dtalement eectu pour chaque utilisateur (point 7). la rception, chaque terminal mobile est muni des lments ncessaires pour rcuprer le message dinformation qui lui correspond : savoir les tches principales que le rcepteur de chaque mobile doit accomplir sont, dans notre exemple, le passage en bande base du signal RF et le traitement du signal qui en rsulte pour extraire linformation. Cette dernire tche seectue en deux tapes. Dabord, les chips qui constituent le signal reu sont multiplis un par un par les chips du code qui identie lutilisateur. Il faut noter que dans une phase qui prcde lchange dinformation entre le mobile et la station de base, cette dernire communique au mobile le code dtalement utiliser. Ensuite, les chips sont additionns sur la longueur M (4 dans cet exemple) de la taille du code dtalement de manire similaire laddition arithmtique eectue au niveau de lmission. Cette opration de multiplication et daddition nest autre que la corrlation entre le code assign au mobile et le signal reu. Le dispositif matriel qui la ralise est appel corrlateur [26]. Le deuxime type de codes utiliss dans le processus dtalement sont les codes pseudo-alatoires. Comme leur nom lindique, ces codes ne sont pas compltement ala-


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symbole message 1 +1, 0 d1(n)

symbole +1,0 message 2 1 d1(2)

d1

(1)

= +0,9 = -0, 7

4 d2(1) = -0,8

d2( 2) = +0,6

d2

(n)

-1, 0 chip chip +1, 0 +1 c1 -1 -1, 0 +1,0 d1(n)

-1,0 2 -1 5 +1,0 +1 +1 -1 -1 +1 +1 c2 -1 -1 -1 -1 -1,0 3 0,7 -0,9 -0,7 -0,7 0, 7 -0,8 -0,8 6 +1, 0 0,8 0,8 0,6 0,6 -0,6 -0,6 0 0 d2(n)

code 2 dtalement

code 1 dtalement

+1

+1

+1

message 2 t al

message 1 tal

0, 9 -0,9

0,9

-1, 0 0 0 T c 2T c 3T c 4T 5Tc 6T c 7Tc 8T c c Ts 2T s

-1,0

+7

8Tc 7T c 6T c 5T c 4Tc 3T c 2Tc T c 2Ts Ts

+2,0 +1,7 +0,1 -0,1 -0,1 -1,7 -2, 0 0 T c 2Tc 3T c 4T c 5Tc 6T c 7T c 8T c signal transmis

+1, 3

+0,1

-1, 3

Fig. 2.7 Exemple daccs multiple DS-CDMA avec 2 utilisateurs suivant la gure 2.6 : signal transmis par la BS toires, car il est possible de les rgnrer la rception pour rcuprer linformation transmise, pourvu que lmetteur et le rcepteur soient parfaitement synchroniss [26]. Un registre dcalage binaire, comme celui dcrit la gure 2.8, reprsente lune des manires les plus courantes pour gnrer des codes pseudo-alatoires. Son fonctionnement est le suivant : une fois que les dirents tats du registre sont initialiss, le bit en sortie est calcul chaque coup dhorloge en additionnant en modulo 2 tous les bits prsents chaque tat. Les bits sont ensuite dcals de manire circulaire pour rinitialiser les tats et calculer le bit en sortie suivant. Ce registre, appel LFSR (Linear Feedback Shift Register ), est dit priodique car, quelles que soient les valeurs initiales (les valeurs prises par ai ), on retrouve ces mmes valeurs aprs un nombre ni de temps dhorloge. Puisque le registre comprend n tats reprsents par les valeurs (binaires) de ai , 2n codes pseudo-alatoires sont possibles. Il en rsulte aussi que la priode de la squence nest jamais suprieure 2n [26]. Le nombre maximum dtats possibles (dirents de 0) est de P = 2n 1. Une squence binaire de priode P , gnre par un registre dcalage de type LFSR, est appele m-squence ou encore, squence longueur maximale (maximal length sequence). On peut noter sur la gure 2.9 que le gnrateur des m-squences peut tre reprsent suivant une notation polynomiale [26] : f (X) = X n + n1 X n1 + n2 X n2 + ...1 X + 1 (2.6)


20

Xn

Xn-1

Xn- 2

an- 1horloge

an-2

..

Fig. 2.8 Schma gnrique dun registre dcalage n tats o les coecients i peuvent prendre deux valeurs 1 ou 0. Ainsi, lorsquil y a une connexion physique, i =1 et lorsque i =0, il ny a pas de connexion. Le polynme irrductible gnrant une m-squence est appel primitif . tant donn les proprits dintercorrlation assez mdiocres entre deux m-squences [28], un autre type de codes a t propos du nom de codes de Gold an damliorer les proprits dintercorrlation, tout en tant capable de gnrer un nombre plus important de codes avec les mmes proprits pseudo-alatoires. A titre dexemple, nous allons voir comment sont gnrs les codes de Gold partir de deux m-squences dont les polynmes gnrateurs sont x = X 5 + X 2 + 1 et y = X 5 + X 4 + X 2 + X + 1. La gure 2.9 illustre les registres dcalage respectifs et leur mode dinterconnexion pour gnrer les 25 + 1 = 33 codes de Gold correspondants. Les valeurs de a4 , a3 , a2 , a1 et a0 ont t initialises 1. Le code gnr par la m-squence 1 reste xe tandis que le code 2, issu de la m-squence 2, est dcal vers la droite.m-squence 1X5 X4 X3 X2 X 1 x=1+X +X2 5

a4

a3

a2

a1

m-squence 2horloge X5

X

4

X

3

X

2

X

b4

b3

b2

b1

Fig. 2.9 Exemple de gnration des codes de Gold

2.2.4

Caractristiques du canal de propagation

Le canal de propagation peut aecter les performances de tout systme de radiocommunication base de CDMA, car il engendre des dgradations sur le signal transmis.

1

2-

n

1-

n

X

1

a1

a0

a0P = 25 - 1 chips

1

b0y = 1 +X + X + X + X2 4 5


21

An de choisir les techniques de traitement de signal appropries qui seront mises en uvre dans la chane dmission et de rception, il faut dnir les caractristiques du canal de propagation. Les proprits du canal sont galement dterminantes pour le dimensionnement du rseau mobile, notamment au moment de la constitution du bilan de liaison [19]. Le bruit thermique et les interfrences provoques par les utilisateurs, quelles soient situes dans la mme cellule (interfrence intracellulaire) ou dans des cellules voisines (interfrence intercellulaire), gnrent des perturbations dune part. Dautre part, le signal transmis doit aussi faire face aux pertes de propagation dues la distance, aux attnuations induites par les obstacles quil trouve sur son parcours et aux vanouissements suscits par lexistence de trajets multiples [26]. La gure 2.10 schmatise lensemble de ces phnomnes.Trajets multiples

vanouissements dus aux trajets multiplesEffet de masque (shadowing )

Interfrences intercellulaires Interfrences intracellulaires

+Bruit thermique

Signal reu

Fig. 2.10 Modlisation du canal de propagation dans un rseau DS-CDMA Dune manire gnrale, le phnomne qui se traduit par une variation de la puissance du signal mesure la rception, en fonction du temps ou de la distance qui spare lmetteur du rcepteur, est connu sous le nom d vanouissement ou fading. Daprs cette dnition, on peut classer les dirents modles de propagation en deux catgories : vanouissement long terme et vanouissement court terme , illustrs la gure 2.11 [26]. Les vanouissements long terme se manifestent lorsque la distance qui spare lmetteur du rcepteur est importante (de quelques dizaines quelques milliers de mtres). En pratique, ces vanouissements sont modliss daprs des quations qui dterminent laaiblissement de parcours ou path-loss [31]. En prsence dobstacles,


22

+ Puissance du signal reu (dB) Affaiblissement de parcours

vanouissements court terme Distance entre lmetteur et le rcepteur +

Fig. 2.11 Eets combins des vanouissements court et long termes comme les arbres ou les immeubles, apparat le phnomne appel eet de masque ou shadowing. Ce phnomne est connu sous le nom dvanouissement moyen terme. Les modles qui considrent la distance comme seul facteur de lattnuation de parcours deviennent rapidement limits dans des conditions plus ralistes o il faudra tenir compte, entre autres, des caractristiques du terrain et du phnomne de diraction. Selon que lenvironnement de propagation est intrieur (indoor ) ou extrieur (outdoor ), dautres modles devront tre utiliss pour quantier de manire plus prcise les vanouissements long terme [31].

2.3

Prsentation du systme UMTS

LUMTS est un rseau mobile de troisime gnration capable dorir des bnces signicatifs lutilisateur en terme de services valeur ajoute, tels que laccs Internet haute vitesse, le tlchargement de chiers (audio et vido) ou alors la visiophonie. Le systme universel UMTS a t choisi dans le but de faire une distinction avec les systmes de premire et de deuxime gnration qui sont considrs comme des systmes axs principalement sur le service de la voix. Dans cette section, nous allons prsenter les catgories de services pouvant tre oerts par un rseau UMTS. Puis, nous verrons son architecture en gnral et son rseau daccs en particulier. Nous verrons galement les couches de protocoles radio de linterface daccs ainsi que la description des canaux de transport. Pour terminer, nous dtaillerons le fonctionnement de la couche physique, qui fait intervenir des canaux physiques spciques.


23

2.3.1

Services oerts

Standardiser un nouveau service requiert gnralement une modication des spcications techniques, procd long et ardu qui peut reprsenter un frein linnovation et la standardisation de services. Par consquent, dans lUMTS, on standardise uniquement certains services an de prserver une continuit dans lore et on donne les moyens aux oprateurs et aux fournisseurs de services de dvelopper et de personnaliser leurs propres services. Les services standardiss en UMTS regroupent les : services support (bearer services) ; tl-services (remote services) ; services supplmentaires. Un service support est une sorte de tuyau que loprateur du rseau mobile met la disposition de labonn pour transmettre de linformation entre deux points. Il joue un rle fondamental dans le rseau en transportant linformation lie au service (voix, donnes, vido...) et la signalisation. Les tl-services proposent une ore complte pour la transmission dinformation en incluant les fonctions de lquipement terminal. On peut citer, par exemple, la transmission de la voix (tlphonie et appels durgence), le service de messages courts SMS (Short Message Service), la transmission de fax ou alors des services de voix groups (communication en groupe, voix en diusion). Les services supplmentaires sont toujours proposs en association ou comme complment un service support ou un tl-service. Ils orent la possibilit de personnaliser les services support et les tl-services, en apportant des fonctionnalits additionnelles [1]. Un mme service supplmentaire peut tre propos en association avec des services support ou des tl-services dirents. Parmi ces services, nous pouvons citer le renvoi dappel, le transfert dappel, le rappel automatique, etc. Chaque service support est caractris par un certain nombre dattributs qui concernent, entre autres, le dbit, le temps quil met pour acheminer linformation dun bout lautre, le taux derreur quil garantit, etc. Tous ces paramtres doivent tre choisis pour que le service support soit le plus adapt possible, car la qualit nale du service oert, appele QoS (Quality of Service), en dpend. La QoS regroupe une srie de caractristiques quantitatives et qualitatives qui permettent au destinataire de considrer que la qualit du service est satisfaisante. A chaque service correspond une QoS particulire. Aussi, les services support doivent-ils tre choisis en consquence [2]. Les caractristiques du service support sont choisies pour chaque tl-service ou application en fonction de la QoS que ces services ou applications requirent. Ainsi, un service support pourra tre caractris en fonction de la capacit du rseau pour


24

le transfert de linformation et de la qualit de linformation une fois transfre. Ces paramtres sont spcis ou ngocis lors de ltablissement de la communication et il est possible de les modier de manire dynamique au cours de celle-ci. Le transfert de linformation fait rfrence la capacit du rseau acheminer dirents types dinformation entre deux ou plusieurs points. La qualit de linformation transfre entre deux ou plusieurs points peut tre quantie en fonction dun nombre limit de paramtres : le dlai maximum tolr pour le transfert de linformation ; les variations du dlai ; le dbit binaire ; le taux derreur binaire.

La matrise des variations du dlai est fondamentale pour orir des services en temps rel. Le taux derreur binaire BER (Bit Error Rate) mesure le rapport entre le nombre de bits dinformations errons et le nombre total de bits transmis. Le dbit reprsente la quantit dinformation transmise entre deux points par intervalle de temps et que lon mesure en bits par seconde (bps). En conclusion, lapplication doit indiquer ses besoins en termes de QoS au rseau UMTS. Plus prcisment, elle doit spcier les attributs du service support requis : le type de trac (temps rel ou non), les caractristiques du trac (point point, point multipoint), le dlai de transfert maximum, les variations du dlai et le taux derreur. Nous allons donner quelques exemples de services que lUMTS peut orir suivant un dcoupage par classes qui dpendent de la QoS dsire. Ces classes de services sont rsumes dans le tableau 2.3 et dnies comme suit : a) Services conversationnels : les services de cette catgorie permettent de transmettre principalement du son et des images entre deux personnes ou groupes de personnes. Leur qualit est donc assez sensible des dlais dans la transmission, ces dlais pouvant tre facilement perceptibles par les utilisateurs. Parmi ces services, nous pouvons citer la tlphonie en mode circuit, la tlphonie en mode paquet utilisant le protocole VoIP (Voice over IP) et la vidophonie [30]. Nanmoins, cette dernire est moins tolrante aux erreurs que la tlphonie et requiert gnralement un dbit plus important ; b) Services interactifs : ce type de service est caractris par le fait que le terminal ayant envoy un message/commande attend une rponse du destinataire dans un certain intervalle de temps. Par consquent, un paramtre cl pour identier


25

la QoS des services interactifs est le temps daller-retour, cest dire le temps coul entre le moment o le message/commande est mis et celui o la rponse arrive. Comme exemple, nous pouvons citer le commerce lectronique ainsi que les services de localisation qui se dveloppent de plus en plus ;Service Conversationnel (temps rel) Dlai 10 s Audio/vido haute qualit Fax E-mail Dbit 28.8 kbps 32-384 kbps Non garanti Non garanti 32-128 kbps Non garanti Non garanti Tolrant des erreurs Oui Oui Non Non Oui Oui Non

Tab. 2.3 Classes de services de lUMTS c) Services streaming : on retrouve dans cette classe les services qui traitent linformation au niveau du terminal de faon continue, cest dire au moment mme o elle est reue (avant de la recevoir dans sa totalit). Ce type de service est unidirectionnel. Ces services sont assez rcents et orent un potentiel dapplication assez vaste. Le streaming audio et vido sont des exemples dapplications typiques. la dirence des services conversationnels, les services de type streaming sont assez asymtriques (on ne reoit pas au mme dbit que lon met) et on peut tolrer dans ce cas des dlais importants ; d) Services en arrire-plan : il existe des services qui ne posent, ou presque, aucune contrainte de temps dans le transfert de linformation quils gnrent. Ils peuvent sexcuter en arrire-plan (background ). Parmi ces services, nous pouvons trouver lenvoi dun courrier lectronique, dun message court SMS ou alors le tlchargement dun chier. Le paramtre pour quantier la QoS de ce type de ce service est principalement le taux derreurs qui doit tre souvent assez faible.

2.3.2

Architecture

Le rseau UMTS repose sur une architecture exible et modulaire. Cette architecture nest associe ni une technique daccs radio, ni un ensemble de services, ce qui


26

assure sa compatibilit avec dautres rseaux mobiles et garantit son volution. Une telle architecture, illustre la gure 2.12, est compose de trois domaines : le domaine de lquipement de lusager UE (User Equipment), celui du rseau daccs radio universel UTRAN (Universal Terestrial Radio Access Network ) et celui du rseau cur CN (Core Network ) [26]. Chaque domaine ralise une fonction bien prcise dansUu Iu

UE

UTRAN

CN

Fig. 2.12 Architecture gnrale du rseau UMTS le rseau, tandis que des points dchange, dnots par Uu et Iu, servent dinterfaces permettant les changes entre les direntes parties du rseau. Le domaine UE comprend tous les quipements terminaux et permet labonn laccs linfrastructure et ses services par le biais de linterface Uu. Le rseau cur regroupe lensemble des quipements assurant les fonctions tels que le contrle des appels, le contrle de la scurit et la gestion de linterface avec les rseaux externes. Le CN dpassant le cadre de notre tude, les dtails de cette partie du rseau peuvent tre trouvs dans [30]. Enn, lUTRAN fournit lUE les ressources radio et les mcanismes ncessaires pour accder au rseau cur. Il contrle les fonctions lies la mobilit et laccs au rseau. Comme illustr la gure 2.13, lUTRAN constitue le trait dunion entre lUE et le rseau cur. Il est compos dun ensemble de sous-systmes nomms RNS (Radio Network Subsystem). Le RNS est un sous-systme de lUTRAN constitu dun contrleur RNC (Radio Network Controller ) et dune ou plusieurs stations de base, appeles Node B1 . Les RNS peuvent tre connects entre eux grce linterface Iur. Le RNC commande plusieurs stations de base via linterface Iub. Il est responsable de la gestion des ressources radio de lensemble des Node B sous son contrle, sachant que chaque Node B ne peut tre associ qu un seul RNC.Tout au long de notre travail, les termes Node B et station de base feront rfrence au mme quipement.1


27

Uu Node B RNC Node B

Iu CS MSC/ VLR PSTNRseaux commutation de circuits (CS)

RNS

UE

Iub Node B RNC Node B

Iur

CNSGSN Iu PS Internet, X.25, etcRseaux commutation de paquets (PS )

RNS

UTRAN

Fig. 2.13 lments du rseau daccs UTRAN

Quant au Node B, il assure la transmission et la rception dinformations entre lUTRAN et un ou plusieurs quipements usagers. Parmi ses fonctions, on peut citer le contrle de puissance. En eet, la puissance dmission de lUE est contrle systmatiquement pour lui assurer la mme qualit de service indpendamment de sa position dans le rseau. Cela permet galement daccrotre lautonomie de la batterie tout en vitant daugmenter inutilement le niveau dinterfrence dans la cellule. Par ailleurs, linterface Iu se dcline, du point de vue fonctionnel, en deux interfaces Iu CS et Iu PS . La premire permet au RNC de communiquer avec le MSC/VLR (Mobile Switching Center/Visitor Location Register ), cest dire avec la partie du rseau qui gre les services commutation de circuits, tandis que linterface Iu PS permet au RNC de communiquer avec le SGSN (Serving GPRS Support Node), la partie du rseau qui gre les services commutation de paquets [30]. Lensemble de ces interfaces sont ouvertes 1 et permettent par consquent de faire dialoguer entre eux des quipements fournis par des constructeurs dirents. Ceci ore aux oprateurs des degrs de libert supplmentaires dans le choix de leurs fournisseurs dquipements de rseaux. Larchitecture du rseau UMTS dans sa premire version est similaire celle du GSM [26]. Ce choix darchitecture a t dict, dune part, par le souci des oprateurs europens de rutiliser les investissements lourds, dj eectus pour le dploiement du GSM et qui ntaient pas encore rentabiliss, et dautre part, par la volont de naliser trs rapidement la premire version des spcications (Release 99). Par consquent, larchitecture modulaire de lUMTS rend possible linterconnexion de son rseau avec1

Non propritaires, dnot en anglais par le terme open


28

des systmes daccs radio autres que lUTRAN, tel que le GSM/EDGE ou encore lHIPERLAN 2 [26].

2.3.3

Couches de protocoles radio de linterface daccs

Dans le but de comprendre les fonctions de linterface daccs au rseau UTRAN, nous allons dcrire les protocoles de communication mis en uvre sur linterface entre un terminal mobile et le rseau daccs radio du systme UMTS. On pourra distinguer sur cette interface radio trois couches principales de protocoles illustres la gure 2.14 [26] : la couche physique (couche 1) ; la couche de liaison de donnes (couche 2) ; la couche de contrle de la ressource radio RRC (Radio Resource Control ). La couche 2 est elle-mme compose aussi de quatre sous-couches : la sous-couche MAC (Medium Access Control) ; la sous-couche RLC (Radio Link Control ) ; la sous-couche PDPC (Packet Data Convergence Protocol ) ; la sous-couche BMC (Broadcast/Multicast Control). La gure 2.14 montre larchitecture en couches des protocoles dans la strate daccs [3]. Nous pouvons noter, sur cette gure, le dcoupage vertical en plan de signaliPlan de signalisation Plan usager

contrle

RRCcontrle cont rle cont rle PDCP PDCP BMC

COUCHE 3 / RRC COUCHE 2 / PDCP COUCHE 2 / BMC

RLC

RLC

RLC

RLC RLC RLC

RLC

RLC

COUCHE 2 / RLC

Canaux logiques

MAC

COUCHE 2 / MACCanaux de transport

Couche physique

COUCHE 1

Fig. 2.14 Couches de protocoles de linterface radio

sation et en plan usager supportant respectivement le transfert des messages de


29

signalisation entre le mobile et le rseau, et le transfert des donnes utilisateurs. Les lignes contrle entre la couche RRC et chacune des autres couches matrialisent le fait que RRC assure le contrle de la conguration de toutes les couches infrieures.

2.3.4

Description des canaux de transport

Le concept de canal se dcline sur linterface radio UMTS en trois types dirents : les canaux logiques, les canaux de transport et les canaux physiques. tudier un soussystme radio revient tudier les fonctionnalits de la couche physique ainsi que les interactions que celle-ci peut avoir avec les couches suprieures. Par consquent, notre intrt se portera, de faon gnrale, sur les canaux de transport et plus particulirement sur les canaux physiques qui seront dnis lors de la description des procdures de la chane de transmission au niveau de la couche physique. Un canal de transport est un service oert par la couche physique la couche MAC pour le transfert dinformations. Ces canaux peuvent tre classs en trois catgories : les canaux communs, les canaux partags et les canaux ddis [26]. Un canal commun est un canal point multipoint unidirectionnel utilise pour le transfert dinformations dun ou de plusieurs UE. On peut trouver six types de canaux communs dtaills dans [3]. Il existe un seul type de canal partag spci dans la R99 : le DSCH1 (Downlink Shared CHannel). Cest un canal utilis uniquement sur la voie descendante en association avec un ou plusieurs canaux ddis. Il est partag dynamiquement par dirents utilisateurs et transporte des donnes de contrle ou de trac. Un canal ddi est un canal point point ddi un seul UE. Le DCH (Dedicated CHannel) est le seul type de canal spci dans la R99. Ce type de canal existe dans les deux sens de la liaison et transporte des donnes. Comme illustr la gure 2.15, il existe une correspondance (mapping) entre les canaux de transport et les canaux physiques [4]. Dans le cadre de cette recherche, nous nous limiterons aux canaux qui interviendront dans la chane de transmission et dont les paramtres seront pertinents pour notre implmentation. Ces canaux seront dnis et dtaills au fur et mesure que les fonctions de la couche physique seront tudies.Un autre canal de transport, introduit lors de la Release 5, sera tudi au chapitre suivant sur la technologie HSDPA.1


30

Canaux de transportVoie descendante

Canaux physiques Physical Downlink Shared CHannel (PDSCH) Synchronisation CHannel (SCH) Common Pilot Channel (CPICH) Dedicated Physical Channel (DPCH)

Downlink Shared CHannel (DSCH)

Dedicated CHannel (DCH)

Voie montante

Dedicated CHannel (DCH)

Dedicated Physical Data CHannel (DPDCH) Dedicated Physical Control CHannel (DPCCH)

Fig. 2.15 Correspondance (mapping) entre les canaux de transport et les canaux physiques

2.4

Fonctions de la couche physique de lUTRAN

La couche physique est charge de transporter linformation gnre par les couches suprieures. Il sagit de vhiculer cette information tout en respectant des contraintes de qualit imposes par le service (dlai, dbit, taux derreur, etc). Nous commencerons par prsenter la chane de transmission UTRA/FDD. Puis, nous aborderons le multiplexage et le codage canal en dtail. Nous verrons ensuite lapplication de ltalement de spectre de manire spcique au rseau UMTS. Nous terminerons par la modulation radio.

2.4.1

Chane de transmission UTRA/FDD

La couche physique fournit le service de transfert dinformation la couche MAC au travers des canaux de transport. En mission, les donnes fournies par la couche MAC sont passes dans une chane de codage de canal avant dtre transmises sur le mdium physique. En rception, les donnes reues sur un canal physique sont passes dans une chane de dcodage de canal avant dtre remises la couche MAC. Lorsque plusieurs canaux de transport de mme type sont ports simultanment par un seul canal physique, la chane de codage est suivie dune chane de multiplexage et la chane de dcodage est prcde dune chane de dmultiplexage. La gure 2.16 illustre les direntes oprations de traitement du signal utilises dans la chane de transmission de lUTRA/FDD. Les fonctions de multiplexage et de codage canal sappliquent aux canaux de transport par lesquels transitent les bits dlivrs par les couches suprieures la couche physique. Les bits vhiculs par les canaux de transport sont agencs sur les canaux


31

Couches suprieures

Couches physiques

Oprations appliques sur les canaux physiques

Sources Binaires (donnes et signalisation)

Multiplexage et codage canal

bits

Passage de bit symbole (de valeurs relles complexes)

symboles

talement de spectre

chips

Modulation RF

Signal transmis

Code dtalement Oprations appliques sur les canaux de transport Oprations appliques sur les canaux physiques

Frquence porteuse

Bits estims (donnes et signalisation)Couches suprieures

D-multiplexage et d-codage canal

bits

Dtection

symboles

Dstalement chips Dmodulation RF de spectre

Signal reu

Couches physiques

Code dtalement

Frquence porteuse

Fig. 2.16 Fonctions de la couche physique dans la chane de transmission UTRA/FDD

physiques. Une fois quils sont prsents dans ces canaux, ils subissent des traitements de signal spciques pour pouvoir tre transmis travers lair. Auparavant, les bits sont convertis en symboles et subissent lopration dtalement de spectre qui va les transformer en chips. Ce sont des chips qui sont transmis par lantenne de lmetteur aprs avoir t moduls et placs sur une frquence porteuse. Les fonctions inverses sont mises en place la rception [4].

2.4.2

Multiplexage et codage

Les services qui seront oerts par lUMTS seront riches en contenu multimdia. Supporter ces services implique la transmission en parallle de plusieurs ots dinformation et, avec elle, lutilisation de plusieurs canaux de transport lors dune mme connexion : chacun deux correspond un service ayant une QoS dirente. Dans le but davoir lassurance que la QoS du service en question soit respecte, et plus particulirement que le taux derreurs et le dlai de transmission soient conformes aux attentes, la couche physique met en place des mcanismes de multiplexage exibles et des techniques performantes de codage pour la dtection et la correction des erreurs. Un UE peut utiliser plusieurs canaux de transport simultanment, chacun tant dot de ses propres caractristiques en termes de qualit de service. Ainsi, un ou plusieurs canaux ddis de transport (DCH) peuvent tre traits en parallle pour constituer un ot binaire de donnes unique appel CCTrCH (Coded Composite Transport CHannel), comme lillustre la gure 2.17 [26]. Les bits dans un CCTrCH peuvent tre convoys par un mme canal physique.


32

Les direntes tapes de la procdure de multiplexage et de codage dans la voie montante sont mises en vidence dans la gure 2.17 et rsumes par les points suivants [4] : Insertion de bits CRC : le CRC (Cyclic Redundancy Check) est une technique de dtection derreurs en rception, laquelle les systmes de radiocommunication ont souvent recours, car elle est ecace et simple mettre en uvre [24]. Avec la dtection derreurs, il est possible destimer la probabilit derreur dans un bloc de bits de transport. Cette estimation permet dvaluer la qualit de la liaison radio et elle peut tre utilise dans des procdures tel que le contrle de puissance ; Concatnation et segmentation des blocs de transport : chaque groupe de blocs de transport, correspondant un mme canal de transport dans un intervalle de temps de transmission TTI1 (Transmission Time Interval), est trait avant dtre envoy vers le codeur canal, ce an que le codeur canal ne dtecte en entre quune squence de bits unique dont la taille ne dpasse pas la valeur maximale note Z. Si le nombre de blocs de transport dans un TTI est M et si p est le nombre de bits par bloc de transport, la longueur de cette squence aprs concatnation est M p. Dans le cas o la taille de la squence dpasse Z, on applique alors une procdure de segmentation dont lobjet est de diviser la squence en soussquences ayant la mme taille. La valeur Z est impose par le type de codage que lon met en place. Cette opration permet de rduire la complexit du codeur ainsi que celle du dcodeur lorsque la squence coder est trop longue ; Codage : une fois que les blocs de transport ont subi les phases de concatnation et de segmentation, les squences de bits qui en rsultent sont livres au codeur. Le codage fait partie des techniques appeles FEC (Forward Error Correction). Lide est de coder les bits en mission en ajoutant des bits de redondance, de telle sorte quen rception, lon puisse dtecter et corriger dventuelles erreurs survenues pendant la transmission. Le codage se dcompose donc en deux phases : lencodage, qui est appliqu en mission et le dcodage en rception. Dune manire gnrale, quel que soit le type de codage, lencodage est eectu en faisant passer une squence de bits dans un registre dcalages. Ce registre est compos de N tats o des oprations algbriques sont appliques suivant les polynmes gnrateurs utiliss. Pour k bits qui rentrent dans lencodeur, on obtient n bits en sortie, ce qui dtermine le taux de codage dni par le ratio R = k/n. Le paramtre N, appel longueur de contrainte , dtermine la capacit du codage canal corriger les erreurs et la complexit de mise en uvre de cette technique [24]. Le choix du taux de codage appliquer dpend du service. Plus le taux de codage est faible, plus les performances de codage sont bonnes, mme si enCorrespond lintervalle de temps ncessaire pour eectuer lchange de donnes entre les couches physiques et MAC sur un canal de transport donn. Il est x 10 ms dans la R991


33

Bloc de transport Bloc de transport Insertion de bits de CRC Concatnation /segmentation de blocs de transport Canal de transport 1 Codage canal Ajustement de la taille des trames Premier entrelacement Canal de transport 2

Bloc de transport Bloc de transport

Segmentation en trames Canaux de transport Adaptation du dbit Adaptation du dbit Multiplexage et codage canal CCTrCH D-multiplexage sur des canaux physiques

Multiplexage des canaux de transport CCTrCH Segmentation des canaux physiques Deuxime entrelacement Deuxime entrelacement Rpartition sur des canaux physiques Deuxime entrelacement DPDCH 1 DPDCH 2

Canaux physiques

Fig. 2.17 Multiplexage et codage du canal DCH sur le lien montant contrepartie, le dbit utile diminue et les oprations dencodage et de dcodage sont plus complexes. Il existe deux types de codage en UTRA/FDD : le codage convolutionnel et le codage Turbo . Le premier est particulirement appropri pour des services de transmission de voix o le taux derreur BLER (BLock Error Rate) que lon tolre est de lordre de 103. En revanche, pour des services de transmission de donnes, le taux derreur est gnralement plus faible (moins de 105 ). Cest pourquoi lon fait appel des techniques plus sophistiques, tel que le codage Turbo qui peut tre vu comme la concatnation de deux encodeurs convolutionnels qui oprent en parallle, spars par un entrelaceur interne [4]. Une fois lopration de codage termine, dautres tapes sont ncessaires avant dentamer le multiplexage et que nous rsumons par ce qui suit : Ajustement de la taille de trames : cette tape, utilise sur le lien montant, consiste scinder les squences de bits cods (ou non) en segments de la mme taille


34

et mettre ces segments en srie. Ce procd est ncessaire lorsque le nombre de bits prsents dans la squence de bits en entre nest pas un multiple du nombre de trames par TTI. An de sassurer que tous les segments aient la mme taille, des bits de bourrage peuvent tre insrs ; Premier entrelacement : lentrelacement est une technique qui permet dobtenir une forme de diversit temporelle et dviter ainsi les erreurs en rafale. Ce procd consiste mlanger une squence de bits en mission, de faon taler les erreurs pendant la transmission et rendre plus alatoire leurs proprits statistiques [24]. Lentrelacement permet donc damliorer les performances de lalgorithme de dcodage canal utilis ; Segmentation des trames : ce traitement vient complter lajustement de la taille des trames et sapplique lorsque le TTI est suprieur 10 ms. Son rle est de segmenter la squence de bits contenue dans un TTI en un nombre entier de trames conscutives ; Adaptation du dbit : un mme canal physique peut convoyer des bits dinformation issus des dirents canaux de transport. Or, le dbit dun canal physique est limit. Il faut donc adapter le dbit la sortie de chaque canal de transport. Pour ce faire, on peut tre amen retrancher des bits dans des ots dinformation de chaque canal de transport ou en rajouter [4]. En rexaminant la gure 2.17, on observe que ladaptation de dbit dans la voie montante sapplique en tenant compte du nombre de bits prsents sur tous les canaux de transport actifs et qui devront tre accommods dans une mme trame ; Multiplexage des canaux de transport : chaque canal dlivre une squence binaire code tous les 10 ms. Ces squences sont ensuite concatnes les unes aprs les autres pour ne crer quun ot binaire unique en srie : le CCTrCH ; Segmentation des canaux physiques et deuxime entrelacement : la segmentation ne sapplique que lorsque plusieurs canaux physiques sont utiliss pour le mme CCTrCH, autrement dit lors dune transmission en multicode. Dans ce cas, le deuxime entrelacement sapplique individuellement sur chaque canal physique. la sortie, linformation est rpartie sur le ou les canaux physiques. ce stade, on est sr que les bits dinformation provenant de chaque canal de transport pourront tre accommods dans des trames de 10 ms, et ce en respectant la QoS requise par le service. Les fonctions de multiplexage et de codage canal sur le lien descendant sont similaires celles mises en place dans la voie montante. Cependant, il existe des particularits propres au lien descendant. En eet, le nombre de bits prsents dans la trame dun canal physique est dict par le facteur dtalement SF. Dans la voie montante, ce paramtre peut changer dun TTI un autre. Tandis que, dans la voie descendante, la valeur de


35

SF reste constante tout au long de la communication. Ainsi, les fonctions dadaptation de dbit et de segmentation sont direntes [26].

2.4.3

Application de ltalement de spectre

Suite lopration de multiplexage et de codage, les bits sont transforms en symboles, puis on applique les oprations dtalement de spectre et de modulation (voir la gure 2.16). Auparavant, il convient de citer les paramtres radio qui caractrisent les canaux physiques de lUTRA/FDD. Parmi ces paramtres, on trouve [3] : une frquence porteuse1 ; une dure dans le temps (avec un instant de temps de dbut et de n qui dpend du type de canal) ; un code de canalisation (chanelisation code) ; un code dembrouillage (scrambling code). Les mtriques suivantes sont galement rfrences pour dnir la dure des canaux physiques : une trame radio est une dure o lon traite de linformation qui stend sur quinze intervalles de temps ou slots, soit 38 400 chips (10 ms) ; un slot est un intervalle de temps de longueur xe et gale 2560 chips ( 0.667 ms). Le nombre de bits par slot est variable. Dans la voie descendante, les codes de canalisation permettent didentier les symboles dinformation appartenant chaque utilisateur dans une cellule. Dans la voie montante, ils permettent de direncier les symboles dinformation du canal ou des canaux physiques de donnes ddis (DPDCH) et du canal physique ddi de contrle (DPCCH) appartenant un mme utilisateur. Le rle fonctionnel des codes de canalisation utiliss dans un rseau UTRA/FDD peut tre compar aux slots de temps allous dans le rseaux mobiles base de TDMA, aux dirents utilisateurs dans la cellule pour les distinguer (du moins pour ce qui concerne la voie descendante). Les codes dembrouillage, dans la voie descendante, permettent didentier une cellule. Il existe donc un code unique dembrouillage par cellule. Lutilisation des codesLes oprateurs qui auront dploy un rseau daccs radio fond sur la technologie UTRA/FDD peuvent disposer dun jeu de plusieurs paires de frquences porteuses allouer aux usagers quils desservent. Le nombre de paires dpend du pays o est implant le rseau. En consquence, la mthode daccs en UTRA/FDD est en ralit hybride, car elle combine le CDMA et le FDMA1


36

dembrouillage rend les proprits statistiques de linterfrence proche de celles dun bruit Gaussien, sachant que cette interfrence est invoque par les cellules voisines qui mettent sur la mme frquence porteuse. Le code dembrouillage permet donc de faciliter la tche du rcepteur lors de la dtection des symboles transmis. Dans la voie montante, les codes dembrouillage sont utiliss non seulement pour amliorer les proprits statistiques des codes de canalisation, mais aussi pour direncier les utilisateurs prsents dans une mme cellule [26].

2.4.4

Modulation

La modulation consiste transformer le signal en bande de base, une fois converti en analogique, en signal radio, an de pouvoir le transmettre dans lair. La gure 2.18 donne un exemple de modulation eectue au niveau de lmetteur de la station mobile et de la station de base.Modulation QPSKcos( t) R(S) Filtre numrique Filtre analogique

CAN

S

Diviseur

Signal complexe tal et embrouill

Im(S)

Filtre numrique

CAN

Filtre analogique -sin( t)

Fig. 2.18 Exemple dune chane dmission

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