introduction à l'UMTS et le W-CDMA

GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005

Introduction à l'UMTS


Objectifs 3G• Débits élevés:

– 144Kbps : zone rurale.– 384Kbps : zone semi-urbaine (vitesse < 120 km/h).– 2Mbps : couverture limitée (piétons).

• Intégration de services:– débits multiples.– débits variables sur une connexion.

• Accès paquets efficace.• Possibilité d'utilisation de techniques d'amélioration

de capacité:– détection multi-utilisateurs (MUD), suppression

d'interférences.– antennes adaptatives.

• Compatibilité avec les systèmes 2G.


Réseau UMTS

[Source : ATT Wireless WhitePaper]


Interface Radio : Techniques d'accès multiples

f

t

Usager 1

Usager 2

Usager 3

f1

f2

f3

f

tUsager 1Usager 2Usager 3

f

f

t

Usager 1Usager 2

Usager 3

code

C3C2

C1

Accès FDMA Accès TDMA

Accès CDMA


Techniques d'accès multiples : rappels


Multiplexage sur voie radio– TDD : une seule fréquence

alternativement dans chaque sens:• flexibilité dans allocation de

spectre �.• débits asymétriques �.• synchronisation plus complexe �.

– même point de basculementup/down dans tout le réseau.

– ⇒ synchronisation de BS.– ⇒ même niveau d'asymétrie

dans tout le réseau.– FDD : émission/réception simultanée

• bien adapté aux débits symétriques �.• allocation de spectre non optimisée �.

– FDD plus avancé que TDD au 3GPP.

Point de basculement entre 2cellules adjacentes


Etalement de spectre à séquence directe


Codes d'étalement• Facteur d'étalement ou Spreading

Factor (SF):

• Autocorrélation ⇒ synchronisation du code.

• Intercorrélation ⇒ séparation des canaux: un canal = un code PN.


Séquences PN• Code PN: séquence pseudo-aléatoire

obtenue à partir d'un registre à décalagen étages.

• Séquence M: séquence de longueurmaximale ⇒ période de la séquence :N=2n - 1.

• Propriétés des séquences M:– le nombre de 1 et de 0 est quasiment

identique.– la probabilité d'une suite de 1 ou de 0

de longueur N1 est égale à 2-N1.– autocorrélation:– intercorrélation:


Codes orthogonaux• Intercorrélation des codes

orthogonaux nulle si les codes sontsynchronisés:⇒ couplage avec un code PN pour lasynchronisation.

• Utilisation de la matrice deHadamard:

– construction récursive.– 1 ligne de HN = 1 code.


Codes orthogonaux de longueur variable (OVSF)


Gain de traitement et puissance disponible– Exemple SF ≈ 8– signal usager à débit + élevé

• ⇒ gain de traitement + faible.• ⇒ puissance d'émission + élevée.

– Exemple SF ≈ 4


Utilisation des codes• Etalement de spectre à séquence directe.• UMTS : "Chip Rate" fixe de 3.84 Mcps.

– (un chip ≈ élément de code représentant un bit).• IS-95: chip rate fixe de 1.288 Mcps.• CDMA-2000: chip rate variable, multiple de celui utilisé dans IS-95.


Codes utilisés dans l'UTRAN• Deux types de codes:

– codes de channelisation OVSF.– codes de brouillage.

• OVSF : "orthogonal variable spreading factor" de type Walsh-Hadamard.


Codes de brouillage (1/2)• Limites des codes OVSF:

– pas des séquences pseudo-aléatoires : pas forcément d'étalement despectre.

– Orthogonalité seulement pour séquences alignées ⇒ difficulté liée à lanon-synchronisation des mobiles (uplink).

– ⇒ nécessité d'un 2ème type de codes : ceux de "brouillage".


Codes de brouillage (2/2)• Principe d'allocation : downlink

– un code de channelisation par canal physique.– totalité de l'arbre OVSF disponible.– Un code de brouillage par cellule ⇒ codes de brouillage distinguent les cellules entre elles.– 512 codes disponibles ⇒ contrainte sur planification du réseau (cellules proches ⇒ codes

différents).

• Principe d'allocation : uplink– un code de channelisation par canal physique.– Totalité de l'arbre OVSF disponible.– Un code de brouillage par mobile ⇒ codes de brouillage distinguent les mobiles entre eux.– 224 codes disponibles ⇒ pas de contrainte sur planification entre mobiles.


Contrôle de puissance• Système CDMA:

– chaque usager du réseau est une source d'interférence pour lesautres.

– Ressource partagée : puissance d'émission.– Uplink: contrôle de puissance indispensable pour éviter les effets

proche-lointain.– Downlink: nécessaire pour limiter l'interférence entre cellules.


Structure des canaux physiques

• Recherche de cellule initiale:• décodage de 3 canaux successifs

– P-SCH primary synchronisation channel.– S-SCH secondary synchronisation channel.– CPICH common pilot channel.


Synchronisation slot et trame

• 1ère phase: synchronisation slot - décodage du P-SCH.• 2ème phase: synchronisation trame - décodage du S-SCH.• 3ème phase: recherche du code primaire de brouillage, cad décodage

du CPICH (suite de 10 symboles pilotes prédéfinis).


Informations système

• Canal P-CCPCH: Primary common control physical channel.– Canal de transport BCH (⇔ canal balise BCCH en GSM).– Contient les informations système (identité réseau, cellule courante :

puissance max, structure canaux communs…, cellules voisines).– Paramètres de codage et d'étalement invariants (pas de contrôle de

puissance, SF 256, multiplexé en temps avec SCH).


Transport de données (1/3)• DPCH : dedicated physical data channel - ressource dédiée à un

usager ⇒ un délai de transmission et un débit constant.

• 2 sous-canaux physiques :– DPDCH (dedicated physical data channel):

• données usager (voix, messages).• données de signalisation issues des couches supérieures.

– DPCCH (dedicated physical control channel)• données de contrôle spécifiques à la couche physique.• Bits pilotes.• Bits TPC (transmit power control).• Bits TFCI (transport format combination indicator).• Bits FBI (feedback information - uplink).


Transport de données (2/3)• DPCH downlink:


Transport de données (3/3)• DPCH uplink:


Traitement de la couche physique : cas général (1/2)

canal composite ou CCtrCh


Traitement de la couche physique : cas général (2/2)

canal composite ou CCtrCh


Traitement de la couche physique : exemple phonie


Récepteur : "RAKE receiver"

[Source UT Dallas]



[Source UT Dallas]

• Rotation du signal par le canal(phase et amplitude quelconque).

• symboles QPSK transportent desinformations en phase.

• énergie séparée sur plusieurs doigts⇒ recombinaison ("combining").

• Recombinaison corrige la rotationde phase due au canal, et utilise lesestimations d'amplitude du canalpour compenser les composantes.



[Source UT Dallas]


Récepteur : "RAKE receiver"• Récepteur RAKE doit disposer des informations:

– retards multi-trajets ⇒ synchronisation en temps et retard ("time-delay").– Phases des composantes multi-trajets ⇒ synchronisation de la phase porteuse.– Amplitudes des composantes multi-trajets ⇒ "amplitude tracking".– nombre de composantes multi-trajets ⇒ RAKE allocation.

• Synchronisation "time-delay" : basée sur les corrélations (technique "delaytracking" effectuée par des boucles feedback (PLL, DLL).

• Les PLL classiques ne peuvent pas être utilisées pour la recherche de phaseet d'amplitude de la porteuse (canaux de profil "fading").


• En pratique, les fonctionnalités suivantes sont nécessaires pour lasynchronisation du RAKE:

– Boucle AGC ou "Automatic Gain Control" (pour conserver la gammedynamique du convertisseur A/D).

– Boucle AFC ou "Automatic Frequency Control" (pour conserver le décalage del'oscillateur local).

– Acquisition et scan de la réponse impulsionnelle du canal (pour effectuerl'allocation des "doigts" du récepteur RAKE).

– "Channel Delay tracking" (pour ajuster les composantes multi-trajets).

Récepteur : "RAKE receiver" - implémentation


Récepteur : "RAKE receiver" - implémentation• Fonctionnement linéaire et à large gamme dynamique pour les composantes

RF et IF.– (large bande de 5MHz et interférences propres au système CDMA).

• Boucle AGC doit être rapide et précise, afin de préserver le récepteur dansune gamme linéaire.

• Convertisseurs AD rapides et à haute résolution.– (fréquences d'échantillonnage élevées (x10 MHz) et dynamiques élevées

(jusqu'à 80dB).• Cœur des récepteurs à étalement de spectre : corrélateurs.

– RAKE requiert 4 corrélateurs pour désétalement et 8 corrélateurs pour lacorrection de retard.


Soft et Hard Handover

[Source UT Dallas]

introduction à l'UMTS et le W-CDMA

Documents

Transcript of introduction à l'UMTS et le W-CDMA