Modulation Gsm Gprs Edge

Farid BOURAS Sofian ZEGGAGH

Master Professionnel Télécommunication - 2008/2009

PREFACE

Nous étudierons ici 3 types de réseaux cellulaires : GSM, GPRS et EDGE en termes de modulation utiliser par chacun d’entre eux. Tout d’abord nous parlerons de l’évolution des débits qui a engendré

l’évolution des réseaux cellulaires. Ensuite nous présenterons les 3 types de réseaux que l’on étudie. De plus, nous décrirons une chaîne de transmission numériques standard pour voir l’étage que l’on va étudier c'est-à-dire modulation. Enfin nous finirons par expliquer les différentes modulations modulations utiliser en GSM, GPRS et EDGE.


PREFACE

Nous étudierons ici 3 types de réseaux cellulaires : GSM, GPRS et EDGE en termes de modulation utiliser par chacun d’entre eux. Tout d’abord nous parlerons de l’évolution des débits qui a engendré

l’évolution des réseaux cellulaires. Ensuite nous présenterons les 3 types de réseaux que l’on étudie. De plus, nous décrirons une chaîne de transmission numériques standard pour voir l’étage que l’on va étudier c'est-à-dire modulation. Enfin nous finirons par expliquer les différentes modulations modulations utiliser en GSM, GPRS et EDGE.


SOMMAIRE

I) L’évolution des débits des réseaux cellulaires II) Présentation des réseaux rés eaux cellulaires GSM, GPRS et EDGE

III) Comparatif 2G/3G

IV) Description d’une chaîne de transmission numérique

V) Rappel sur les modulations numériques

VI) Modulation utilisée en GSM

VII) Modulation utilisée en GPRS

VIII) Modulation utilisée en EDGE

IX) Adaptation du lien radio

X) Conclusion

XI) Source bibliographique


I) L’évolution des débits des réseaux cellulaires L’évolution des réseaux mobiles se caractérise par une augmentation des dé bits, de la qualité de service et du nombre d’utilisateurs. Ce qui a engendré une évolution dans les générations de téléphonie cellulaire. Voici un graphique illustrant l’augmentation des débits ces quelques années en fonction des différentes générations de téléphonie cellulaire :

Observation : Le graphique montre l’évolution des débits maximaux utilisateur (ordonnées en échelles logarithmique) en fonction des numéros de générations (2G, 2.5G, 2.75G, 3G, 3.5G). La courbe bleue correspond aux débits théoriques des normes et la courbe rouge correspond à ce qui est obtenu dans la vie réelle.

Il s’avère que l’augmentation des débits et la diversification des données transmises sur les réseaux cellulaires a aussi nécessité une augmentation de qualité des communications. Par exemple : un taux d’erreur BER de 1 pour 1000 convient pour la voix décodé, les données

(images, visio, etc) exigent des taux d’erreurs de moins de 1 pour 100000.

Enfin, il y a eu une augmentation du nombre d’abonnés. En France, le taux d e pénétration de la téléphonie cellulaire était voisine de 10% fin 1997, environ 50% fin 2000 et de 80% fin 2005.


II) Présentation des réseaux cellulaires GSM, GPRS et EDGE A) GSM : Global system for mobile communication

Il s’agit du standard européen de téléphonie cellulaire de seconde génération (2G), apparu en 1992. Cette norme est la première norme européenne utilisant des modulations numériques. Voici un tableau décrivant les principales caractéristiques du GSM :

Fréquence (Mhz)

890-915 UL 935-960 DL

Mode d’accès

TDMA/FDM

Duplexage

FDD

Modulation

GMSK (1 bit.symbole-1)

Codage de parole (Kbits.s-1)

13

Débit binaire brut (Kbits.s-1)

270,833

Filtre

Gaussien BT=0,3

Largeur des canaux (Khz)

200

Nombre de canaux avec 8 utilisateurs par canal

124

La norme GSM utilise un multiplexage fréquentiel ainsi qu’un mode d’accès temporel et fréquentiel. Cette norme utilise une modulation de fréquence GMSK (Gaussien minimum shift keying), le filtrage utilisé est un filtrage Gaussien avec un produit BT = 0,3 (B représente

la fréquence de coupure du filtre à 3dB et T est la durée d’un bit). Cette modulation est peu sensible aux non- linéarités, mais n’offre pas un excellent rendement spectral. On peut noter que le débit brut du système après blocage est de 270,833 kbit.s-1, mais ce

standard utilise un mode d’accès temporel TDMA, ayant pour conséquence de diviser ce débit par 8. Ces intervalles de temps, dans lesquels les données sont compressées, sont appelés des times slot.

L’accroissement du nombre d’utilisat eurs et le développement des services multimédia (Internet, vidéoconférence…) font que les normes de téléphonie mobile 2G n’offrent pas des débits suffisants pour permettre ces utilisations. Pour remédier à ce problème, plusieurs évolutions ont étaient développées : l’extension du GSM par le GPRS (General packet radio services) et le EDGE (Enhanced data rate for GSM evolution).


B) GPRS : General packet radio service

► Le GPRS n’est pas un réseau mobile à part entière, mais seulement une couche supplémentaire rajoutée au réseau GSM existant.

► L’introduction de GPRS dans un réseau se fait sans modification du sous -système radio. ► Le GPRS utilise la même modulation, les mêmes bandes de fréquence et la même structure de trame. Les modifications nécessaires sont uniquement logicielles.

► Cette solution utilise deux modes de commutation différents : - La commutation de circuits consiste à établir temporairement une voie de communication bidirectionnelle entre deux terminaux. Cette voie, pendant toute la communication, est réelle

et permanente, il s’agit d’un lien physique constitué de lignes de transmission permettant d’établir un circuit de communication entre les corre spondants. Le principal avantage est que ce type de commutation est direct et en temps r éel. - La commutation de paquets consiste à recevoir d’un expéditeur et à

réexpédier vers un destinataire des blocs d’informations, appelés paquets, qui ne sont que des fragments de communication.

► La norme GPRS utilise la trame TDMA de la norme GSM. Un intervalle de te mps, appelé time slot, ou plusieurs, selon le nombre de bits de données à transmettre, est utilisé pour faire de la commutation paquets. Ainsi, on pourra, en mode circuit, transporter des informations à bas débit, telles que la voix ; en mode paquet, on pourra transporter des informations avec des débits plus importants, telles que des transferts de données.

► Le débit est au maximum plus de 10 fois plus élevé que celui du GSM (débit de l’ordre de 100 kbps et le débit théorique de 171kbps).

► Offre la possibilité de transmettre une image de bonne qualité en quelques secondes seulement.

► Permet une connexion permanente des téléphones mobiles à Internet et Intranet.


C) EDGE : Enhanced data rates for gsm evolution

► Cette solution réutilise les caractéristiques d’occupation spectrale de la norme GSM, tout en permettant des débits de 384 Kbps.

► Cette norme permet d’atteindre ces débits en combinant l’utilisation : - D’une modulation 8 PSK (8 phase shift keying) - De plusieurs times slot lors de la transmission, au lieu d’un seul dans la norme GSM. ► Le fait de pouvoir réutiliser la majeure partie des installations GSM permet de réduire les coûts et les investissements.

► EDGE est intéressant pour les opérateurs n’ayant pas investi dans un e licence UMTS. III) Comparatif 2G/3G Voici un tableau récapitulatif décrivant la particularité de chaque réseau mobile du GSM à l’UMTS :

Standard GSM

Génération 2G

GPRS

2.5G

EDGE UMTS

2.75G 3G

Bande de fréquence Permet le transfert de voix ou de données numériques de faible volume. Permet le transfert de voix ou de données numériques de volume modéré. Permet le transfert de voix ou de données numériques Permet le transfert simultané de voix et de données numériques à haut débit.

Débit 9,6 Kbps 171 Kbps 384 Kbps 2 Mbps


IV) Description d’une chaîne de transmission numérique La chaîne de transmission d’un système (GSM, GPRS, EDGE) est numérique, elle intègre tous les fonctions qui sont nécessaires à la transmission d’un e source d’informations sur un canal de propagation radio-mobile : Signal de parole

Signal de parole

Coda e source

Décoda e source

Coda e canal

Décoda e canal

Entrelacement

Désentrelacement

Construction de bursts

Extraction d’information des bursts

Chiffrement

Canal

Modulation

Déchiffrement Démodulation/é alisation

Chaîne de transmission de la parole - Les fonctions de codage source qui consistent à comprimer le flux de données pour une utilisation efficace de la ressource radio.

Les fonctions de codage canal qui ajoutent de la redondance dans les données en vue d’une détection voire d’une correction des erreurs introd uites lors de la propagation dans le canal. - Les fonctions d’entrelacement qui mélangent les bits à l’intérieur d’un bloc codé pour une -

meilleure répartition des erreurs (qui arrivent en général par paquets sur des bits successifs). - La construction de bursts

qui assure la structuration des données en bursts, avec l’insertion d’une séquence d’apprentissage et de quelques bits spécifiques. - Le chiffrement ou cryptage des données utiles portées par les bursts grâce à une séquence de chiffrement pour assurer la confidentialité des échanges sur l’interface radio. - La modulation qui consiste à transformer les bursts en un signal analogique dont le spectre va occuper une des sous-bandes GSM de largeur 200Khz. - Et enfin la fonction d’égalisation à la réce ption qui permet de corriger les interférences entres symboles dues à la propagation multi-trajets qui caractérise le canal radiomobile. Cependant la transmission des données (données utilisateur, signalisation, contrôle) peut être décrite sous la forme d ’une chaîne de communication similaire à celle de la transmission de

parole. Le codage source est remplacé par une fonction d’adaptation qui transforme le flux de données en une suite de bloc structurés.

Nous étudierons dans la chaîne l’étage de

Modulation plus précisément.


V) Rappel sur les modulations numériques A) Introduction: Pour transmettre des données (bits, symboles) sur un canal physique, il faut leur associer un signal physique qui porte l’information relative à ces don nées et qui est bien adapté au canal. Dans le cas radiocommunications, la séquence de symboles à émettre module une porteuse de

fréquence Fc en modifiant l’un ou plusieurs de ses paramètres d’amplitude, de phase ou de fréquence, éventuellement de polarisation. Dans certains cas, la transmission peut s’effectuer en modulant simultanément plusieurs porteuses.

B) Généralités: Les modulations numériques associent un signal physique à une suite de symboles discrets. Il faut mettre en œuvre une porteuse Fc. La modulation génère un signal physique dont le spectre est centré autour de la porteuse, on parle de transmissions sur fréquence porteuse.

On représente le signal modulé x(t) par son enveloppe complexe z(t), x(t) s’écrivant sous la forme : x(t) = R{z(t)℮^(J .2.π.Fc.t)} = ZI(t) cos (2.π.Fc.t) – ZQ(t) sin (2.π.Fc.t) Les deux signaux réels ZI(t) et ZQ(t) sont respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de Z(t). La densité spectrale de puissance Sx(f) du signal modulé au carré est l iée à la densité spectrale de puissance Sz(f) de l’enveloppe complexe par : Sx(f) = 1/4 [Sz(f-fc) + Sz(-f-fc)] On parle de modulation binaires ou M-aires, selon que le nombre de symboles différents est égal à 2 ou à M. Dans le cas général d’une source binaire, les bits son t souvent groupés par paquets de k bits, formant ainsi des symboles pouvant prendre M = 2^(K) valeurs différentes.

On distingue, d’autre part, les modulations linéaires et non linéaires. On dit qu’une modulation est linéaire quand le signal x(t) peut être généré sans opération non linéaire.

L’enveloppe complexe Z(t) des modulations linéaires usuelles peut s’écrire comme une somme d’impulsions élémentaires s(t), pondérée par des amplitudes ak fonction des symboles

à émettre : Z(t) = ∑ ak s(t -KTs) Les amplitudes ak peuvent être complexes. Les signaux de la forme de Z(t) sont appelés signaux PAM (Pulse amplitude modulation). On différencie 3 familles de modulations numériques : - Les modulations à phase continue, notée CPM (Continuous phase modulation), qui sont des modulations non linéaires ; les modulations de fréquence à phase continue, comme la GMSK. - Les modulations d’amplitude en quadrature, notées QAM (Quadrature amplitude modulation), qui sont des modulations linéaires ; les modulations par sauts d’a mplitude, ou de

phase, ou d’amplitudes et de phase combinées font partie de cette classe.

- Les modulations multi-porteuses, qui modulent plusieurs porteuses simultanément.


C) Critères de choix d’une modulation :

► Les différentes modulations se caractérisent par des efficacités différentes, en termes d’occupation spectrale et de puissance émise nécessaire pour obtenir une certaine probabilité d’erreur. ► On cherche en général à minimiser l’occupation spectrale du signal modulé pour un débit binaire donné et à minimiser la probabilité d’erreur pour des conditions de transmission données (rapport signal à bruit en particulier).

► On appelle efficacité spectrale le rapport du nombre de bits transmis par seconde (avec une certaine probabilité d’erreur dan s un canal donné) avec la largeur de bande utilisée. ► On appelle efficacité en puissance le rapport Eb/No nécessaire pour obtenir une probabilité d’erreur donnée pour un canal particulier. Le symbole Eb représente l’énergie moyenne par bit d’information et No/2, la densité spectrale d’un bruit blanc. ► Un autre critère est le coût du système, qui est la complexité de réalisation du modulateur et du démodulateur.

D) Critères appliqués aux radiocommunications: Les canaux de radiocommunications (en particulier dans le cas des liaisons entre mobiles)

sont soumis à des phénomènes de trajets multiples, de fading, et d’effet Doppler. De plus, les émetteurs utilisés présentent souvent des non-linéarités dues en particulier aux amplificateurs de puissance à fort rendement mis en œuvre pour minimiser la consommation. La modulation choisie doit être résistante vis-à-vis de ces défauts de la chaîne de transmission.

L’utilisation d’une modulation à enveloppe constante simplifie la conception des émetteurs/récepteurs au détriment des performances en termes d’occupation spectrale. Le système GSM a retenu la modulation GMSK à enveloppe constante, mais plusieurs standards plus récents ont opté pour des modulations à enveloppe non constante (EDGE, par exemple), dans le but de diminuer l’occupation spectrale pour un débit binaire donné.

E) Avantage des modulations numériques : La numérisation des signaux offre la possibilité de réaliser à la fois du multiplexage temporel et fréquentiel et par conséquent de transporter de plus en plus d'informations tout en conservant le même encombrement spectral.


F) Rappel sur les modulations numériques à 2 niveaux (bin-aires) :

Pour commencer, nous rappellerons quelques modulations très connues pour partir d’une bonne base. Lors de la numérisation de grandeurs analogiques (voix par exemple), il faut transmettre un message binaire ; comme pour les modulations analogiques, le message binaire module une porteuse sinusoïdale : on retrouve l es modulations ASK (par saut d’amplitud e), et PSK (par saut de phase).

: message binaire transmis en série au rythme d’un signal d’horloge de période Tb (durée d’un bit). Signal modulant m(t)

On définit le débit binaire par : D = 1/Tb en bits/s Le but est toujours une optimisation de l’exploi tation de la bande des fréquences grâce à une amélioration de l’efficacité spectrale : ƞ = D/B en (bits/s)/Hz ou D est le débit binaire et B la

largeur d’un canal. Le changement de niveau logique d’un bit se caractérise par : ► Un saut d’amplitude pour une modulation ASK


► Un saut de phase pour une modulation

(Sauts de phase = π aux changements de

PSK

symboles)

► DSP pour les modulations ASK et PSK

Encombrement spectral : B = 2/Tb = 2/Ts = 2D Efficacité spectrale : ƞ = D/B = 0.5 (bits/s)/Hz

► Un saut de fréquence pour une modulation FSK

Les applications sont nombreuses : modems, GSM, DECT ; l'encombrement spectral est supérieur à celui de la modulation ASK mais c'est une modulation moins sensible au bruit ; par contre, son efficacité spectrale est faible et elle ne convient pas si on veut un débit élevé dans un canal de faible largeur.


G) Rappel sur les modulations numériques à M niveaux (M-aires) : modulations QAM

Ces modulations sont des modulations d’amplitude et de phase combinées

: Quadrature Amplitude Modulation. Afin de transmettre de plus en plus d'informations donc augmenter le débit binaire, tout en conservant la même largeur de canal, les modulations dites M-aires (à M niveaux) sont utilisées : on regroupe n bits successifs en mots de n bits appelés symboles ; la durée d'un symbole Ts = n Tb ; on introduit la rapidité de modulation ou débit symboles : R = Fs = 1/Ts = D/n en bauds 1symbole = 1 bits 1 symbole = 2 bits 1 symbole = 3 bits 1 symbole = 4 bits 1 symbole = 5 bits

→ 2^(1) = 2 états de modulations → 2^(2) = 4 états de modulations → 2^(3) = 8 états de modulations → 2^(4) = 16 états de modulations → 2^(5) = 32 états de modulations

→ → → → →

modulation BPSK modulation QPSK modulation 8 PSK modulation 16 QAM modulation 32 QAM

Le diagramme I/Q est une représentation rectangulaire du graphe en coordonnées polaires. Sur un diagramme polaire, l'axe I suit la droite de phase 0, et l'axe Q est perpendiculaire à celui-là. La projection du vecteur du signal sur l'axe I donne la composante I et la projection sur l'axe Q donne la composante Q.

Visualisons les constellations de chaque modulation :

► BPSK

► QPSK

► 8PSK


Table de vérité de la QPSK :

Remarque : Avec quatre phases, QPSK peut coder deux bits par symbole. Cela permet de soit multiplier le débit binaire par deux comparé à un système BPSK tout en maintenant la bande passante du signal ou alors de maintenir le débit en réduisant la bande passante utilisée par deux. 8PSK on peut tripler le débit binaire, mais la densité de notre constellation causera une augmentation du taux d’erreur comme pour la QPSK.

► 16QAM

Remarque : il y a quatre niveaux d'amplitude utilisés sur chacune des porteuses en quadrature, ce signal est parfois nommé signal QAM à 4 niveaux. Cette technique permet de transmettre plus de bits (pour une QAM 16) dans le même canal qu’une modulation binaire PSK. Soit à coder l’information 1100 en modulation QAM avec 4 bit par moment (16QAM). On utilise les deux premiers bits pour la porteuse I et les deux autres pour la porteuse Q selon une table de vérité arbitraire à priori. Le résultat de l’addition pondérée de I et de Q donne un

vecteur résultant d’amplitude et de phase données.


H) La modulation MSK :

C’est une modulation FSK correspondant à un indice de modulation m = 0.5 donc à une . excursion de fréquence Δf = m*(Fs/2) = mD/2 = D/4 L’intérêt de la modulation MSK est de présenter u n encombrement spectral minimal.

► Voici la DSP d’une modulation MSK :

Une efficacité spectrale : ƞ = D/B = 0.67 (bits/s)/Hz pour cette exemple.

► Représentation de la DSP avec une échelle logarithmique :

Observation : mise en évidence de la présence de lobes secondaires : ceux-ci ne sont atténués que de 23 dB par rapport au lobe principal et vont perturber les canaux adjacents.


I) Tableau résumé des performances de modulations :


J) Courbes de probabilité d’erreur symbole :


VI) Modulation utilisée en GSM A) Modulation La modulation a pour effet de transformer les bursts en un signal analogique dont le spectre va occuper une bande GSM . C’est le signal modulé qui va être émis dans le canal. L’expression générale d’un signal modulé est la suivante :

s(t) = a(t).cos(θ(t)) = a(t).cos(2.π.fo.t+ɸo+ɸ(t)) - fo est la porteuse, il s’agit d’une porteuse attribué à la cellule courante du mobile. - a(t) est l’amplitutude, elle dépend de la puissance d’émission maximale de l’équipement et

est ajusté conformément au mécanisme de contrôle de puissance. C’est une modulation à enveloppe constante : │a(t) │= constante sur un burst. - ɸ(t) est la phase, c’est elle qui transporte l’information utile, c’est -à-dire les bits d’un burst. Il s’agit d’une modulation de phase (donc de fréquence). B) Modulation utilisée dans GSM : GMSK (Gaussian filtered MSK) La modulation GMSK est une modulation de fréquence MSK (Minimum Shift Keying)

associée à un filtrage gaussien. C’est une modulation à enveloppe constante, ce qui permet à l’amplificateur de fonctionner en limite de saturation, avec une bonne efficacité. Ce choix constitue par ailleurs un bon compromis entre ef ficacité spectrale (de l’ordre de 1 bit/Hz), robustesse au bruit et aux interférences et complexité de démodulation.

►Voici un exemple de schéma bloc simplifié d’une modulation GMSK :

C) La modulation MSK Le mobile GSM émet une porteuse de fréquence fo modulée en fréquence ou en phase qui s’écrit, si on fait abstraction du filtre gaussien :

e(t) = E.cos(ωot + ɸ(t))

ɸ(t) = πt/2.Tbit si le bit transmis a la même valeur que le bit précédent. ɸ(t) = - πt/2.Tbit si le bit transmis a une valeur différente. On obtient donc un décalage en phase de ± π/2 sur un temps bit.


► Evolution de la phase de la porteuse dans la modulation MSK :

Si on calcul la fréquence instantanée f(t) de la porteuse modulée, on trouve :

ω(t) = dθ(t)/dt = d[ωot + ɸ(t)]/dt = ωo ± π/2.T bit Tbit = 48/13µs = 3,69µs f(t) = fo ± 1/4.Tbit = fo ± 67,7 Khz La modulation GSM peut aussi être vue comme une modulation de fréquence caractérisée par : - une excursion en fréquence de fréquence de Δf = ± 67,7 Khz. (Cet écart fréquentiel peut être observé sur le canal FCCH et sert de valeur de référence au calage en fréquence du mobile.) - une fréquence de signal modulant F = 1/2.Tbit = 135,4 Khz (pour une séquence 101010..) - un indice de modulation m = Δf/F = 0,5. Cette valeur de m = 0,5 correspond en modulation de fréquence à appellation Minimum Shift Keying

D) Le filtrage Gaussien du signal binaire : Le filtre gaussien de réponse impulsionnelle h(t) et de fonction de transfert H(f) filtre le signal NRZ ∑ ak.r(t - KT).

► Voici les expressions de h(t) et H(f) :

► Réponse impulsionnelle de h(t) :


Dans le cas du GSM, le produit B.Ts = 0,3.

B est la fréquence de coupure à 3dB du filtre gaussien et Ts représente la durée d’un symbole. Avec cette valeur, on constate que l'on a h (Ts) = 0.077. (0) et h Ts (2Ts) = 3.5.10-5. (0) , ce qui entraîne une certaine IES s'étendant sur un horizon de trois symboles: le symbole courant subit uniquement l'interférence du symbole précédent et celle du symbole suivant.

► Le module de la transmittance d’un filtre gaussien utilisé pour traiter des signaux binaires de débit D s’écrit :

► Pour le GSM, l’expression précédente devient :

Lorsqu’on module une porteuse par un signal binaire, l’encombrement spectral du signal analogique obtenu est toujours excessif à cause des fronts du signal binaire. Le spectre MSK présente ainsi des lobes secondaires à 25 dB en-dessous de la porteuse. La forme du signal binaire doit être dégradée par un filtrage passe-bas. En GSM, on effectue un filtre passe-bas gaussien avant la modulation MSK. Ceci-ci a pour effet de transformer les impulsions carrées du signal binaire en impulsions en forme de « cloches » assez arrondies. Sur le spectre GMSK, les lobes secondaires sont pratiquement inexistants.

► Courbe de réponse du filtre Gaussien du GSM :

Remarque : Pour un signal binaire de type GSM, de débit D = 270,8 Kbits/s. Le module calculé de la transmittance à la fréquence f = 81,2 Khz vaut : H1 = 0,707 = -3 dB. On retrouve bien la fréquence de coupure fc.


► Diagramme de l’œil d’un filtre Gaussien :

Observation : Le diagramme de l’œil correspondant à un signal numérique filtré par un tel filtre gaussien montre bien que les fronts raides ont disparu et ont été remplacés par des impulsions arrondies. Ce signal représente les variations de la fréquence de la porteuse émise par le GSM.

► Comparaison des densités spectrales de puissance :

Remarque : - la modulation OQPSK qui décroît en 1/ f 2. - la densité spectrale de la modulation MSK décroît en 1/ f 4, ce qui fournit donc un gain en bande passante. Nous voyons que la décroissance en 1/ f 4 est accompagnée d'un élargissement du lobe principal par rapport à la modulation OQPSK.


► Spectre des modulations MSK et GMSK :

D) Modulateur GMSK La modulation est réalisée suivant deux étapes successives : ► Génération du signal modulé en bande de base ► Transposition du spectre sur une fréquence porteuse GSM

Voici le schéma du modulateur GMSK complet :


La structure du modulateur vient directement du développement suivant : e(t) = Ecos( ϕ(t)).cos(ω0t) - Esin( ϕ(t)).sin(ω0t) = Ecos( ϕ(t)).cos(ω0t) + Esin( ϕ(t)).cos(ω0t+π/2)

qui peut s’écrire : e(t) = TXI(t).cos( ω0t) + TXQ(t). cos( ω0t+π/2) ► La structure du modulateur réalise les tâches suivantes : - le signal binaire est intégré par un intégré par un intégrateur numérique pour obtenir ϕ (t) : ϕ (t) = ± πt/2Tbit - le processeur calcule le cosinus et le sinus : TXI(t) = E.cos(ϕ(t)) et TXQ(t) = E.sin(ϕ(t)) - les signaux I(t) et Q(t) sont multipliées p ar la porteuse à ω o et la même porteuse déphasée de

π/2

- les signaux résultants sont additionnés et donnent la porteuse modulée :

e(t) = Ecos(ϕ(t)).cos( ω0t) + Esin(ϕ(t)).cos( ω0t+π/2) = Ecos(ωot + ϕ(t)) On pourra obtenir une excellente stabilité de la porteuse fo qui vient d’un de fréquence stabilisé par l’oscillateur à quartz 13 MHz de référence.

étage synthétiseur

E) Gabarit spectral d’un mobile GSM

La norme spécifie des gabarits de spectres relatifs à la puissance d’émission que le signal modulé doit respecter pour les différents matériels.

► Gabarit spectral d’un mobile GSM :

Après filtrage passe-bas et modulation MSK, le spectre de la porteuse, de chaque côté de la fréquence centrale, doit rester en-dessous du gabarit donné par la courbe rouge :


Comme dans tout système de communication, l'objectif est de ne pas gêner les "voisins" donc la puissance dans les canaux adjacents doit être la plus faible possible : la mesure de l'ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) permet de vérifier ce critère.

► Influence de la modulation sur la planification cellulaire : Pour deux porteuses séparées de 200 KHz, la superposition des spectres des signaux modulés

n’est pas négligeable. Deux porteuse GSM adjacents présentent donc un niveau élevé d’inférences. Pour limiter ces interférences entre canaux adjacents, les opérateurs doivent respecter quelques règles pour la planification :

→ Il faut interdire d’utiliser 2 canaux adjacents dans une même cellule : on s’impose un écart minimal de 600 KHz entre les porteuses utilisées au sein d’une même cellule. → Il faut éviter d’utiliser 2 canaux adjacents sur 2 cellules voisines à cause du re couvrement existant en bordure des cellules pour assurer les transferts intercellulaires (handover).


VII) Modulation utilisée en GPRS A) Principe

► Le GPRS, est une technologie utilisant la commutation de paquet avec des débits élevés. La réservation de time slot se fait de façon dynamique par contre pour une communication GSM classique elle est permanente. La transmission par paquet sur la voie radio permet d'économiser les ressources radio. En effet n terminal est susceptible de recevoir ou d'émettre des données à tout moment sans qu'un canal radio soit monopolisé en permanence comme c'est le cas en réseau GSM.

► La modulation de la porteuse est la même que celle du GSM. ► La bande occupée par un téléphone en émission est de 200 KHz, la même que celle du GSM.

► Selon le niveau souhaité de protection des données, le débit pour un time-slot peut aller de 9 à 21,4 kbits par seconde.

B) Codage des données Quatre schémas de codage sont définis pour les données : si le C/I (rapport porteuse sur

interférence) est fort, il est possible d’utiliser une faible protection des données pour disposer d’un débit plus important. Dans des conditions plus défavorables, il est nécessaire de protéger les données, ce qui limite les débits. A cau se de l’adaptation du codage en fonction du rapport C/I, le débit décroît lorsque le mobile s’éloigne de la BTS. Le schéma CS-1(Coding Scheme-1) dispose de la meilleure protection ; il est identique à celui des canaux de contrôle (SDCCH, SACCH, BCCH…) et donne un débit de 9.05 Kbits/s. Chaque bloc contient, outre les données utilisateurs, des bits USF (Uplink Status Flag, codé sur 3 bits, indique à quel mobile est alloué chaque bloc en voie montante). Ces bits doivent être lisibles éventuellement par plusieurs mobiles ; ils sont protégés de façon supplémentaire dans les schémas CS-2 à CS-4 lorsque les données sont moins protégées.

- Voici Le tableau indiquant les différents types de codage utilisé en GPRS :


- Débit de transmission en fonction du schéma de codage :

C) Les limitations du GPRS Le débit théorique de 171,2 Kbits/s annoncé précédemment correspond à un utilisateur utilisant simultanément les huit times slots disponibles, et ceci sans aucun mécanisme de correction d'erreur, ce qui nous permet de dire que ce débit reste purement théorique, et qu'il ne sera jamais atteint. Le GPRS utilise la même technique de modulation du GSM: GMSK, qui est une modulation à enveloppe constante. En conclusion, pour aboutir à des débits plus élevés il faut évoluer vers la technologie EDGE, qui utilise la technique de modulation 8-PSK et elle définit des mécanismes de vérification de l'intégrité des données et des nouveaux mécanismes de retransmission des paquets.

- Constellation GMSK :


VIII) Modulation utilisée en EDGE A) L’évolution du GPRS vers EDGE

Le GPRS offre différents taux de codage, permettant d’augmenter le débit lorsque les conditions de propagation sont favorables. Néanmoins, le débit brut sur un Time Slot reste limité à 22,8 Kbits/s (celui du GSM). L’EDGE permet de s’affranchir de cette limite,

moyennant l’introduction d’une nouvelle modulation, de nouveaux schémas de codage et la généralisation du principe de l’adaptation de lien radio. L’EDGE est une évolution de la norme GSM et du système TDMA. Il peut être introduit avec

le déploiement : - d’une architecture basée sur la commutation de paquets (GPRS) : EGPRS - d’une infrastructure basée sur la commutation de circuits (HSCSD) : ECSD L’EDGE permet d’augmenter les débits jusqu'à 38 4 Kbits/s, pour les terminaux ayant une vitesse inférieur ou égale à 100km/h, et jusqu’à 144 Kbits/s, pour les terminaux ayant une vitesse allant jusqu'à 250km/h.

B) Architecture générale

L’EDGE est une extension du réseau GPRS. Seule le sous -système radio est sensiblement modifié.

► L’architecture de EDGE :

MS : Mobile station BTS : Base Transceiver Station BSC : Base Station Controller PCU : Packet Control Unit MSC : Mobile-service Switching Centre VLR : Visitor Location Register

PSTN : Public Switched Telephone Network PDN : Packet Data Network SGSN : Serving GPRS Support Node GR : GPRS Register GGSN : Gateway GPRS Support Node HLR : Home Location Register


Le déploiement de L’EDGE nécessite : - la mise à jour du BSC et de la BTS, - l’ajout d’un émetteur -récepteur au niveau de la BTS capable de supporter la modulation 8-PSK.

C) Principe

► La modulation de la porteuse est différente est différente de celle du GSM : modulation à 8 états. ► La bande occupée par un téléphone en émission est de 200 Khz, la même que celle du GSM. ► Selon le niveau souhaité de protection des données, le débit pour un time-slot peut aller de 22,4 à 59,2 kbits par seconde.

D) La technique de modulation 8-PSK La modulation utilisée dans le GSM est la modulation GMSK, qui associée à chaque bit un état. Pour atteindre des débits élevés par time slot, l’EDGE utilise la modulation 8-PSK (Eight

level Phase Shift Keying) qui permet d’obtenir 3 bits par symbole. Avec cette modulation, employée lors de l'interface de transmission entre l'émetteur et le terminal mobile, l’EDGE garantit un débit instantané trois fois supérieur à celui du GPRS mais la vitesse de modulation est la même que pour la GMSK.

- Voici la différence entre les modulations GMSK et 8-PSK :

La modulation GMSK est caractérisée par une enveloppe constante par contre l’enveloppe au niveau de 8-PSK est variante. Comme la modulation 8- PSK

est plus sensible au bruit, et vu que nous avons plus d’états, l’EDGE utilise dans le cas d’un lien de mauvaise qualité la modulation GMSK, ce qui a pour conséquence une dégradation du taux de transfert des données.


E) La structure du burst La structure du burst de GSM est conservée quelle que soit la modulation utilisée, GMSK ou 8-PSK. Un burst est formé d’une séquence centrale de 26 symboles entourée de 58 symboles de part et d’autre, de 2 * 3 symboles de bourra ge et de 8.25 symbole de garde. Dans le cas de la GMSK, un symbole correspond à un bit et on dispose de 2*58 bits de données par burst. Parmi ces bits de données, 2bits sont des drapeaux de préemption (stealing bits) pour le GSM classique. Dans le cas de la 8-PSK, on a 2*3*58=348 bits de données pour chaque burst.

- Voici la structure du burst avec la modulation 8-PSK :

D) Type de codage La capacité en termes de débit d’un time slot, dans le cas du GPRS, ne dépasse pas 21.4 Kbits/s avec CS-4. Pour le c as de l’EDGE, la capacité d’un time slot peut atteindre 59.2 Kbits/s. En effet l’EDGE définit neuf types de codage (MCS1 jusqu’à MCS9) dont les quatre premiers types utilisent la modulation GMSK, et les autres utilisent la modulation 8-PSK. Il existe trois familles de codage pour l’EGPRS, chacune est caractérisée par un nombre des

bits d’information utile (tous les tailles sont multiples de mêmes valeurs) et chaque famille comprend certains codes :

→ Famille A : la taille d’information utile est de 37 octets (37*8 bits) elle contient le MCS3, MCS6 et MCS9.

→ Famille A padding : l’information utile est de 34 octets (34*8 bits) elle contient le MCS3, MCS6 et MCS8.

→ Famille B : la taille d’information utile est de 28 octets (28*8 bits) elle contient le MCS2, MCS5 et MCS7.

→ Famille C : dans cette famille l’information utile est de 22 octets (22*8 bits) elle comprend le MCS1 et MCS4.


- Le tableau suivant représente les différents codes dont chacun son débit nominal et la famille à laquelle il appartient :


IX) Adaptation du lien radio Plusieurs modulations et schémas de codage sont valables pour le service EDGE. Ces schémas peuvent fournir un débit élevé indispensable pour la transmission des données vidéo.

Mais ces schémas de codage sont moins robuste surtout parce qu’elles utilisent un niveau élevé de modulation et un taux de codage élevé.

Le débit offert est étroitement lié au comportement aléatoire des conditions de propagation qui varient au cours du temps à cause des interférences, diffraction ... Par conséquence la probabilité d’avoir des erreurs dans les schémas de codage est plus grande s pécialement si les conditions du lien radio sont très mauvaises. En fait, un débit élevé peut être assuré seulement si les conditions de transmission radio sont favorables .

L’adaptation de lien consiste à sélectionner le schéma de modulation et de codage le mieux adapté aux conditions de propagation radio. En cas des conditions favorables, un ensemble modulation-codage, offrant une protection réduite, est utilisé. Dans des conditions difficiles, un schéma de modulation-codage robuste est préférable. En effet pour utiliser le lien radio au maximum de la capacité, l’émetteu r adapte le schéma de modulation et de codage à la qualité

de signal reçu par le récepteur. Lorsque le taux d’erreur des blocs radio (BLER : Block Error Rate) est faible, il est possible de réduire le taux de codage des données ou de passer de la GMSK à la 8-PSK. Les transitions entre tous les schémas sont possibles (MCS1 à MCS2,

MCS1 à MCS4, MCS2 à MCS3 …). Par contre en GPRS la transition est permise uniquement entre deux schémas de codage voisin (adaptation dynamique de lien radio).

Pour l’EDGE, si la qualité du lien radio se dégrade, par exemple si un bloc de donnée n’est pas acquitté alors que les suivants le sont, l’entité MAC-RLC peut alors le répéter en changeant le type de codage par un autre type plus approprié, par exemple en passant de MCS9 à MC S6, l’émetteur va découper un bloc en deux sous blocs. Ce passage d’un schéma à un autre est un nouveau pas par rapport au GPRS, en effet en GPRS la retransmission est effectuée toujours selon le même schéma de codage.


Modulation Gsm Gprs Edge

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