Rapport sur :
La Norme UMTS Universal Mobile Telecommunications System
Réalisé Par : Encadré Par :
Imane MSADFA FATANI Abdelkawie MOURADI DIOP Elhadj Aissa :
Mr :
Table des matières PARTIE BIBLIOGRAPHIE...............................................4 1.INTRODUCTION :......................................................4 2.HISTORIQUE :..........................................................4 3.POURQUOI L’UMTS :.................................................5 4.PRINCIPE DE BASE DE LA NORME UMTS :...................5 4. 1 Caractéristiques Techniques De L’UMTS :......................................................5 4.2 Spectre des Fréquences................................................................................6 4.
3 Couverture globale de l’UMTS...................................................................6
4.4 Services offerts...........................................................................................7 4. 4.1 Les Classes De Services.....................................................................................8
5.ARCHITECTURE D’UN RÉSEAU UMTS :........................8 5.1 Domaine de l’équipement Usager (UE) :.......................................................9 5.2 Domaine du réseau d’accès........................................................................10 5.2.1 Description :.......................................................................................................... 10 5.2.2 Interfaces radio:........................................................................................................ 11 5.2.3 Fonctionnalités:.................................................................................................... 11 5.3 Domaine du réseau cœur............................................................................12 5.3.1 Domaine à commutation de circuits..................................................................12 5.3.2 Domaine à commutation de paquets................................................................13
6.TECHNIQUE D’ÉTALEMENT DU SPECTRE (CDMA).......13 6.1 Introduction............................................................................................... 13 6.2 Principes de l’étalement de spectre :.........................................................14 6.3 Etalement de spectre par séquence directe (DS-CDMA)...............................14
2
6.4 Etalement de spectre avec saut de Fréquence :..........................................16 6.5 Etalement de spectre avec saut de Temps :................................................16
6.6 Propriétés du CDMA :.................................................................................17 6. 8 Interface d’accès large bande CDMA (W-CDMA)..........................................18 6.9 Propriétés des codes utilisés pour l’étalement de spectre............................19 6.10 Conclusion :............................................................................................ 21
PARTIE SIMULATION..................................................22 1.DESCRIPTION GÉNÉRALE DE LA CHAINE DE TRANSMISSION DE W-CDMA 22 2.L’ÉMETTEUR :.........................................................23 2.1 Génération aléatoires des données............................................................23 2.2 Mise en forme du signal à transmettre......................................................................24 2.3 Etalement De spectre.........................................................................................24
3.CANAL DE PROPAGATION :......................................25 4.LE RÉCEPTEUR :.....................................................26 5.ANALYSE DES PERFORMANCES................................27 5. 1 L’impact du nombre d’utilisateur sur le système CDMA.................................................28
CONCLUSION............................................................29
3
P
artie
B
ibliographie
1. Introduction : L’Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) est l'une des technologies de téléphonie mobile de troisième génération (3G) européenne. Permet la transmission vocale, texte, vidéo ou multimédia numérisée. Elle est basée sur la technologie W-CDMA standardisée par le 3GPP et constitue l'implémentation européenne des spécifications IMT-2000 de l'UIT pour les systèmes radio cellulaires 3G. parfois appelé 3GSM, soulignant l'interopérabilité qui a été assurée entre l'UMTS et le standard GSM auquel il succède. On l'appelle également et plus simplement 3G, pour troisième génération.
2. Historique :
o
Évolution du GSM à l’UMTS :
Le GSM (Global System for Mobile Communication) avait le jour au début des années 1980, Le service proposé restera au moins jusqu’en 2002 essentiellement un service de téléphonie, c’est-à-dire un service vocal, et de messages courts, la transmission de données en mode circuit souffrant de son faible débit (9 600 bit/s) pour s’imposer comme un service de masse. Dès lors, il est apparu vers le milieu des années 1990 que le GSM atteindrait rapidement ses limites en termes de support d’un service de transmission de données à haut débit. Le passage de la deuxième génération 2G, celle des systèmes numériques comme le GSM, à la troisième génération 3G, celle de l’UMTS, ne se fera pas en une seule fois, à partir du GSM d’origine. Avant de laisser définitivement la place à un système résolument nouveau, le GSM aura connu quelques évolutions majeures.
4
Le GPRS apparaît en 2001 comme une étape indispensable du passage à l’UMTS.
Figure 1 .1 : les différentes Evolutions des Technologies D’accès Réseau
3.
Pourquoi l’UMTS : L’UMTS Répond :
A la saturation prévue des réseaux 2G existants Au besoin de nouveaux services avec une QoS (Qualité De Service) renforcée A l’adoption de l’Internet et des technologies de l’information. A la généralisation de la mobilité.
4.
Principe De Base de La Norme UMTS :
5
4. 1 Caractéristiques Techniques De L’UMTS : Selon l’UIT, les six réseaux d’accès radio terrestre, dont l’UMTS fait parti, doivent satisfaire aux caractéristiques techniques suivantes:
Garantir des services à haut débit avec un minimum de 144kbps dans tout type d’environnement et jusqu’à 2Mbps dans des environnements intérieurs et avec une mobilité réduite.
Transmettre des données symétriques (même débit montant et descendant) et asymétriques. Qualité de parole comparable à celle des réseaux câblés Capacité et efficacité spectrale doivent être supérieures à celles des systèmes cellulaires actuels de deuxième génération.
Compatibilité avec les réseaux d’accès radio de deuxième génération Couverture universelle associant des satellites aux réseaux terrestres
4.2 Spectre des Fréquences
Les bandes de fréquences ont été définies en 1992 puis retouchées en 2000.
Les bandes spectrales pour les composantes terrestres et par satellite des systèmes IMT2000 sont
-
806 960Mhz, 1710-2020Mhz, 2110-2300Mhz et 2500-2690Mhz
4. 3
Couverture globale de l’UMTS
6
.
Figure 1.2 - Couverture globale de l’UMTS suivant une structure hiérarchique de cellule
La couverture globale de la planète s’organise en une structure cellulaire hiérarchisée qui assurera l’itinérance (roaming) mondiale.
Au sommet de la hiérarchie se trouvent les satellites qui assurent une couverture sur l’ensemble de la planète. Le réseau terrestre radio lui s’occupe de la couverture terrestre suivant une répartition en macro, micro et pico cellules. Les macros cellules couvrent les zones suburbaines et rurales, les micros cellules les zones urbaines (forte densité d’utilisateurs) ,Les pico cellules les zones bien défini est telles les immeubles, les environnements intérieurs (indoor)
4.4 Services offerts
Figure 1.3 : Les Services offert par l’UMTS
7
Avec l’UMTS trois secteurs indépendants communication sont appelés à converger :
du
monde
de
la
Le secteur informatique : avec la transmission de données, qui devient un service de base, largement utilisé, alors que le GSM, jusqu’à l’arrivée du GPRS, avait relégué les services de données au rang d’options coûteuses et relativement peu commodes d’accès.
Le secteur de la vidéo: totalement absent des réseaux de deuxième génération.
le secteur de la voix : vecteur traditionnel des services des réseaux de première et deuxième générations. Un des grands défis de l’UMTS est de faire travailler ensemble les acteurs de ces différents secteurs et d’inventer les services.
4. 4.1 Les
Classes De Services
L’UMTS propose différentes classes de services en prenant en compte 3 contraintes (le délai de transfert de l’information, la variation du délai de transfert des informations et la tolérance aux erreurs de transmission). L’UMTS possède 4 classes de services:
Classe A (conversational) Classe B (Streaming) pour les applications à contrainte temps réel Classe C (interactive) Classe D (background) pour les applications de données sensibles aux erreurs de transmission
La Classe A : représente la téléphonie, la visiophonie et jeux interactifs (classe qui regroupe tous les services bidirectionnels impliquant deux interlocuteurs, voire plus).
La Classe B : représente les services de vidéo à la demande, la diffusion radiophonique et applications de transfert d'image (classe impliquant un utilisateur et un server de données, les donnés sont majoritairement distribuées dans le sens serveur-utilisateur)
La Classe C : représente la navigation sur Internet, le transfert de fichiers par FTP, le transfert de message électroniques ou toutes les applications de commerce électronique (classe ne requérant aucune performances temps réel particulière (mis à part pour la réponse qui doit être envoyé dans un délai respectable)). 8
La Classe D : représente le transfert de fax, la notification de message électronique et la messagerie de type SMS. (Différence avec la classe C : les informations transmises sont de priorités inférieures à celles de la classe C).
5. Architecture d’un réseau UMTS : Un réseau UMTS est basé sur une architecture modulaire et flexible. Ainsi, ces deux caractéristiques, qui le rendent compatible avec d’autres réseaux mobiles de deuxième et troisième génération, garantissent son évolution. L’architecture générale d’un réseau UMTS est composée de trois domaines: o l’équipement Usager : UE (User Equipment) o Le réseau d’accès universel: UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) o Le réseau cœur: CN (Core Network)
Figure 1.4: Vue des différents domaines de l’architecture de l’UMTS
5.1 Domaine de l’équipement Usager (UE) : Le domaine de l’équipement usager (UE) comprend l’ensemble des équipements terminaux.
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Figure 1.5 : Composantes de l’équipement terminal L’équipement Mobile se subdivise en deux parties :
Partie 1 : L’équipement terminal (TE) : Est la partie où les données d’information sont générée s en émission ou traitées en réception
Partie 2 : la terminaison mobile (MT) : Qui assure la transmission de l’information vers le réseau UMTS ou autre et applique les fonctions de correction d’erreurs, ….
5.2 Domaine du réseau d’accès Le domaine du réseau d’accès (UTRAN) : fournit à l’équipement usager les ressources radio et les mécanismes nécessaires pour accéder au réseau cœur. L’UTRAN fait appel à la technologie UTRA, avec ses deux variantes FDD et TDD, fondée sur la méthode d’accès CDMA large bande.
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Figure 1.6 : Description des différents composants du domaine d’accès réseau
5.2.1 Description : L’UTRAN est composé d’un ensemble de sous-systèmes du réseau radio nommé RNS (Radio Network Subsystem) qui sont responsables de la gestion des ressources radio dans les cellules. Un RNS est constitué d’un contrôleur du réseau radio (RadioNetworkController) qui commande un ou plusieurs nœuds B (stations de base) et qui est responsable de la gestion des ressources radio dans les cellules qu’il contrôle. Le terme nœud B représente le nœud d’accès à l’UTRAN. Il assure la transmission et la réception radio entre l’UTRAN et un ou plusieurs équipements usager. Si l’on utilise dans le nœud B des antennes sectorielles, plus d’une cellule ou secteur peuvent être desservis par un même nœud B apte à supporter la technologie UTRA/FDD ou UTRA/TDD.
5.2.2 Interfaces radio: L’UTRAN est composé de quatre interfaces radios qui permettent de faire dialoguer entre eux des équipements fournis par des constructeurs différents:
Uu : qui permet au mobile de communiquer avec l’UTRAN Iu : qui permet au RNC de communiquer avec le MSC/VLR ou SGSN Iur : qui permet à deux RNC de communiquer Iub : qui permet la communication entre le nœud B et le contrôleur de stations de base.
11
Figure 1.7 :
Les quartes interfaces Radio
5.2.3 Fonctionnalités: Transfert des données générées par l’usager en étant une passerelle entre l’UE et le réseau cœur Fonctions liées à l’accès au réseau telles la gestion de l’admission au réseau, du contrôle de la congestion du réseau et de la diffusion des informations systèmes Chiffrement et déchiffrement des données afin d’éviter que des tiers non autorisés puissent décoder le contenu de l’information. Fonctions liées à la mobilité telles le handover qui est un mécanisme qui implique le changement du canal radio dans lequel l’UE est en cours de communication, lors d’un changement de secteur par exemple.Fonctions liées à la gestion des ressources radio telle les procédures liées au contrôle de puissance. Par exemple, la puissance d’émission de l’UE est contrôlée systématiquement afin de lui assurer la même qualité de service indépendamment de sa position dans le réseau. Le réseau cœur regroupe l’ensemble des équipements assurant les fonctions de contrôle de la sécurité et de gestion de l’interface avec les réseaux externes. C’est à ce niveau que l’on peut percevoir la modularité de l’architecture d’un réseau UMTS.
5.3 Domaine du réseau cœur
12
Figure 1.8 : description de la couche cœur du réseau Le domaine du réseau cœur peut se diviser en deux sous réseaux: Le domaine à commutation de circuits (CS) : qui est mieux adapté pour la transmission de la voix et pour les services de type temps réel. Le domaine à commutation de paquets (PS) : qui assure la connexion aux réseaux utilisant le protocole IP et aux réseaux X.25. Il est plus approprié à la transmission de données.
5.3.1 Domaine à commutation de circuits Le domaine circuit permettra de gérer les services temps réels dédiés aux conversations téléphoniques (vidéo-téléphonie, jeux vidéo, streaming, applications multimédia). Ces applications nécessitent un temps de transfert rapide. Lors de l’introduction de l’UMTS le débit du mode domaine circuit sera de 384Kbits/s. L’infrastructure s’appuiera alors sur les principaux éléments du réseau GSM : MSC/VLR (bases données existantes) et le GSMSC afin d’avoir une connexion directe vers le réseau externe.
5.3.2 Domaine à commutation de paquets Le domaine à commutation de paquets utilise l’architecture GPRS et permet de se connecter à des réseaux PDP (Packet Data Protocol) tel Internet. Certaines entités sont communes aux domaines CS et PS.
13
Le nœud de service GPRS (SGSN): se charge de l’acheminement des paquets de données de puis et vers la station mobile située dans la zone qu’il dessert. Le nœud passerelle du GPRS (GGSN) joue le rôle d’interface entre le réseau fédérateur GPRS intra-PLMN et les réseaux à commutation de paquets externes. Il est à savoir qu’un PLMN (Public Land Mobile Network) est un réseau UMTS ou GSM appartenant à un opérateur agréé. Le protocole utilisé est GTP (GPRS Tunnel Protocol) qui s’appuie sur TCP pour un transport fiable et UDP pour un transport non fiable ainsi que sur le protocole IP pour le routage dans le réseau fédérateur.
6. Technique d’étalement du Spectre (CDMA) 6.1 Introduction La technique d’étalement de spectre est une technique par laquelle un signal est transmis sur une bande passante considérablement plus large que la bande nécessaire pour que l’ensemble des fréquences composant le signal original ne soient transmise par des méthodes classique de modulation, Cette technique diminue le risque d’interférences avec d’autres signaux reçus tout en garantissant une certaine confidentialité. Le récepteur régénère le signal original en corrélant le signal reçu avec une réplique de cette séquence. Cette technique est réapparue dans les années 1960. Elle est par exemple utilisée par les systèmes de positionnement par satellites (GPS, GLONASS), les liaisons cryptées militaires, les communications de la navette spatiale avec le sol, et plus récemment dans les liaisons sans fil 3G UMTS (W-CDMA) et le WiFi (IEEE 802.11b) et Bluetooth
6.2 Principes de l’étalement de spectre : 14
L’étalement de spectre (en anglais Spread Spectrum) est une technique par laquelle plusieurs utilisateurs peuvent être présents simultanément sur une même bande de fréquence.
Figure 1.9: Principe conceptuel de l’étalement de spectre
Dans la Figure 1.9, on a volontairement inclus un signal de bruit présent sur une bande de fréquence assez large. Ce signal de bruit représente toutes les sources d’interférence et le bruit thermique. On observe sur la même figure que le signal étalé peut se retrouver noyé dans l’interférence au point qu’il donne l’illusion d’en faire partie. Un facteur essentiel qui explique le succès de l’étalement de spectre dans le domaine militaire est que sans la connaissance du code d’étalement, il est quasiment impossible de détecter le signal transmis et de récupérer le message d’information qu’on convoie. Cette propriété est appelée « faible probabilité de détection » (LPD, Low Probability of Detection). Qui plus est, le signal étalé résiste fort bien aux interférences qui occupent une largeur spectrale beaucoup plus étroite. Il faut préciser que l’on parle ici d’une source ponctuelle d’interférence qui ne serait présente que sur une bande étroite. Cette robustesse provient tout simplement du fait que l’information est étalée sur une bande de fréquence assez importante et profite d’une certaine forme de diversité en fréquence : seule une partie du spectre du signal utile étalé est perturbée.
6.3 Etalement de spectre par séquence directe (DS-CDMA)
6.3.1
Introduction:
Le DS-CDMA (Direct-Sequence Code-Division Multiple-Access), en anglais, ou AMRC (Accès Multiple à Répartition par les Codes), ou CDMA à séquence directe, est la technique d’étalement la plus répandue dans les systèmes de radiocommunication mobile. Par exemple, elle est à la base des systèmes de deuxième génération (comme cdmaOne) et de troisième génération (comme WCDMA, cdma2000).
15
6.3.2
Principes de DS-CDMA :
Dans un système DS-CDMA, le signal d’information est directement modulé par une séquence. En réalité, cette séquence est un code qui possède des propriétés statistiques particulières comme nous allons le montrer ci-après. Dans la Figure 1.10 nous décrivons un exemple simple pour expliquer les principes de l’étalement de spectre. Nous supposons que la longueur du code d’étalement est de huit. Comme la figure 1.9 le montre,le signal d’information des utilisateurs 1 et 2 est étalé avec un code d’étalement unique pour chaque utilisateur (nous appelons le débit du signal d’information « débit symbole » et le débit de signal étalé « débit chip »). Le débit chip est équivalent au débit symbole du signal d’information multiplié par la longueur du code d'étalement. Après étalement, les chips des utilisateurs 1 et 2 sont additionnées pour générer un signal mixte (multiplexage) et transmis sur le canal radio. Au niveau du récepteur, le signal est multiplié par le même code d’étalement utilisé dans l’émetteur. Le fait de multiplier le signal reçu par la même séquence permet de ne garder que le signal d’information. Cette procédure de dés étalement n’est possible que si le récepteur est parfaitement synchronisé temporellement avec l’émetteur. Après la multiplication, les signaux sont intégrés sur la durée du symbole pour récupérer le signal d'information.
Dans notre système DS-CDMA, si nous utilisons, par exemple, la modulation en phase (BPSK) avec des séquences de codes pseudo-bruit bipolaires prenants des valeurs de l’ensemble {±1} pour l’étalement spectral, chaque utilisateur est indépendant l’un de l’autre. Le signal transmis par le k-ième utilisateur aura la forme suivante :
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Où « S=Eb/T » est la puissance moyenne, « dk(t) » est une impulsion rectangulaire de durée « Ts » qui prend des valeurs de l’ensemble {±1}. « CK (t) » est aussi une impulsion rectangulaire de durée « Tc » représentant la séquence de codes qui étale le spectre des données et prenant ses valeureux dans l’ensemble {±1}. Le terme « fc » est la porteuse et « θk » est le déphasage initial du signal. Généralement, nous supposons que « Ck (t) » et « dk(t) » sont respectivement le code numéro « k » d’un utilisateur et le symbole d’information numéro « k ».
6.4 Etalement de spectre avec saut de Fréquence : L’étalement de spectre avec saut de fréquence FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum) est une technique d’étalement de spectre basée sur le saut de fréquence, dans laquelle la bande est divisée en canaux ayant chacun une largeur de bande fixe. Pour transmettre des données, l’émetteur et le récepteur s’accordent sur une séquence de sauts précise qui sera effectuée sur ces souscanaux. Dans un système FH-SS, la fréquence porteuse « saute » littéralement d’une fréquence porteuse à une autre suivant une séquence unique connue exclusivement par l’émetteur et le récepteur concerné. Celle-ci est définie de manière optimale de façon à minimiser les probabilités de collision entre plusieurs transmissions simultanées. Si une station ne connaît pas la séquence de saut des canaux, elle ne peut récupérer les données, car elle ne reçoit qu’un bruit de fond.
6.5 Etalement de spectre avec saut de Temps : L’étalement de spectre par séquence directe et avec saut de fréquence n’est pas la seule technique utilisée dans les systèmes de radiocommunication mobile. Une autre technique consiste à étaler le spectre par saut de temps:le système de communication qui en résulte est appelé système d’étalement de spectre à saut de temps (Time Hopping spread Spectrum, TH-SS). Contrairement aux deux systèmes de l’étalement de spectre avec séquence directe et avec saut de fréquence, dans un système TH-SS la transmission de données se fait par l’intermédiaire de sauts de temps, où le signal est transmis de manière discontinue sous forme de salves brèves. En fait, les durées des salves sont déterminées par le code d’étalement. Pour transmettre des données, l’émetteur et le récepteur s’accordent sur un temps de saut précis
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Figure 1.10
:
la famille des étalements de spectre
Dans la famille des étalements de spectre, l’étalement de spectre avec saut de temps est le plus rarement utilisé dans les applications pratiques. Une comparaison entre les trois membres de la famille des étalements de spectre est présentée dans la figure 1.9. Il est également possible d’utiliser simultanément deux ou trois des méthodes disponibles pour construire une méthode hybride de modulation [OJAN98].
6.6 Propriétés du CDMA : Les systèmes CDMA incluent un certain nombre de dispositifs qui ne sont pas forcément présents dans les autres systèmes de communication. Ces propriétés sont très importantes à connaître parce qu’elles permettent de différencier les systèmes. Elles jouent aussi un rôle important pour augmenter la capacité du système, améliorer la qualité de service et développer la performance du système du point de vue du débit/surface.
6.6 .1 Contrôle de puissance : L’utilisation du contrôle de puissance dans tout système cellulaire basé sur le CDMA est un point faible du point de vue de la performance générale du système, parce qu’il a un rôle essentiel dans les performances du réseau en termes de couverture, de capacité et de qualité de service. En effet, l’intérêt du contrôle de puissance sera plus facilement apprécié lorsque l’effet dit « prochelointain » sera décrit. Étant donné que tous les utilisateurs partagent la même bande de fréquences, chacun d’entre eux est considéré comme un brouilleur en puissance, c’est-à-dire qu’un problème d’interférence d’accès multiple pourra être considéré si les signaux étalés ne sont pas orthogonaux. En pratique, pour un système CDMA sans contrôle de puissance, la puissance du signal de l’utilisateur le plus proche de la station de base serait plus importante que celle de l’utilisateur le plus éloigné.
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6.6 .2 Récepteur
multi trajet (RAKE)
La deuxième propriété des systèmes CDMA est le traitement des trajets multiples. Ce traitement des différents trajets du signal va servir à augmenter la capacité de système ainsi qu’à améliorer sa performance. En fait, la propagation des ondes radio dans un canal est caractérisée par de multiples réflexions et atténuations du signal. Ces phénomènes sont dus aux obstacles naturels, tels que les immeubles et les montagnes qui provoquent une propagation caractérisée par des trajets multiples. Ces trajets multiples vont donc conduire en général à diminuer le gain de traitement. Mais, cette propriété peut être exploitée en recevant les signaux des trajets multiples séparément et en les combinant de façon cohérente par l’emploi d’un récepteur en râteau (RAKE)
6.7 Avantages de l’étalement de spectre : Le système CDMA large bande (W-CDMA) présent de multiples avantages : o Un gain de traitement plus élevé : l’élargissement de la bande occupée par le signal étalé permet d’augmenter le gain de traitement et par conséquent rendre le signal moins sensible aux interférences et au bruit. o
Une possibilité de transmettre des services à haut débit : L’étalement de spectre offre aux utilisateurs des services multimédias tels que les données et la vidéo en temps réel, services qui requièrent des débits plus importants et, par conséquent, une largeur de bande plus élevée.
o
De meilleures performances pour détecter des trajets multiples : dans un système CDMA, le canal de propagation a trajet multiple est considérée comme un avantage, car une forme de diversité appelée « diversité de trajets multiples » peut être exploitée. L’objectif est de détecter le plus grand nombre de trajets pour les combiner. Ainsi, le signal final se trouve renforcé avant que ne débute la phase de récupération de l’information. Ce qui se traduit par une diminution du taux d’erreur et, par conséquent, par une amélioration des performances
o
Une possibilité de déploiement dans un spectre de fréquence déjà utilisé : faire cohabiter un système CDMA large bande et un autre système cellulaire sur un même spectre de fréquence est techniquement possible.
o Une interférence mutuelle entre les utilisateurs de la cellule. Si dans la voie descendante (de la station de base vers le terminal mobile), en absence de trajets multiples, on peut garantir l’orthogonalité des signaux étalés (les signaux codés sont alignés dans le temps), o
Un contrôle de puissance rapide. Plus un utilisateur est proche de la station de base, plus la puissance reçue par celle-ci est grande. La station de base risque de ne pas détecter les
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utilisateurs loin parce que les proches auront ébloui ces dernières ou encore créé une interférence importantes. Le contrôle de puissance doit être suffisamment rapide pour éviter que l’effet proche-lointain ne se produise.
6. 8 Interface d’accès large bande CDMA (W-CDMA)
6.8.1 Introduction En effet, le CDMA à large bande (W-CDMA) est une extension du concept de CDMA à bande étroite. Le W-CDMA a été ciblé pour la troisième génération (3G) des systèmes de communication comme l’UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems). Les différences les plus nettes entre les systèmes de troisième génération et les systèmes de deuxième génération se trouvent dans les protocoles de communication sur l’interface d’accès. En fait, le CDMA a déjà été utilisé comme interface d’accès dans les systèmes de deuxième génération comme IS-95 qui ont été construits principalement pour fournir des services tels que la parole dans les macrocellules. Ce système a été présenté généralement sous le nom de système CDMA à bande étroite. L’évolution du CDMA vers le W-CDMA a été faite pour tenir compte des nouvelles exigences introduites par les systèmes de communication 3G. Ces exigences sont principalement dictées par les nouveaux services haut débit tels que le multimédia,
la vidéoconférence, l’internet, etc. Dans cette section, les principales caractéristiques de l'interface d'accès W-CDMA sont présentées.
6.8.2 Caractéristiques
du W-CDMA :
Toutes les caractéristiques du CDMA s'appliquent également au W-CDMA. Néanmoins, le WCDMA apporte plusieurs améliorations concernant la performance et la flexibilité des services, ainsi que l’exploitation de l’extensibilité. Les principales différences entre CDMA et W-CDMA sont couvertes dans les sections suivantes. Le CDMA et le W-CDMA sont des systèmes d’accès multiple par répartition de code utilisant une modulation par séquence directe (DS-CDMA, Direct Sequence Code Division Multiple Access).
6.9
Propriétés des l’étalement de spectre.
codes
utilisés
pour
6.9.1 Introduction : Les codes d’étalement possèdent de bonnes propriétés de corrélation si chaque signal étalé n’est pas corrélé avec les autres signaux de la même bande, c’est-à-dire que la séquence pseudo-
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aléatoire est différente pour chaque utilisateur, pour ne perdre aucune information pendant l’émission, la transmission et la réception. Les codes utilisés pour l’étalement de spectre doivent être orthogonaux dans le cas idéal. Si nous avons cette propriété pour l’intercorrélation et l'autocorrélation de codes, nous allons d’une part réduire les effets de la propagation par trajets multiples et l’interférence entre symboles ISI (Inter-Symbol Interference), et d’autre part, déterminer l’interférence entre les utilisateurs, ou interférence d’accès multiple (MAI, Multiple Access Interference)
6.9.2 Code de canalisation Les codes de canalisation, appelés aussi codes orthogonaux, rendent possible le passage de symboles aux chips, c'est-à-dire d’un signal en bande étroite à un signal en large bande. La fonction d’étalement est accomplie en multipliant la partie réelle (voie I) et imaginaire (voie Q) de chaque symbole d’information par le code de canalisation alloué à l’utilisateur et dont la taille est égale au facteur d’étalement « SF ». Ce code peut être le même pour chaque voie suivant que l’on se place dans la voie montante ou dans la voie descendante. Dans la voie descendante, les codes de canalisation permettent d’identifier les symboles d’information appartenant à chaque utilisateur.
6.9.3 Génération des codes de canalisation : Il est nécessaire de générer des codes de canalisation avec un SF variable tout en préservant leur orthogonalité (deux codes sont orthogonaux si leur fonction d’intercorrélation satisfait « Rcicj(0)=0 ». Pour ce faire, on fait appel à la méthode proposée dans la référence dite OVSF pour Orthogonal Variable Spreading Factor. Les codes ainsi générés sont appelés codes OVSF. Il s’ensuit que les codes de canalisation de longueur variable peuvent être obtenus à partir d’une structure en arbre, comme le montre la Figure 1.11 suivante :
21
Figure1. 11 :
Structure en arbre pour la génération des codes
orthogonaux de canalisation
6.10 Conclusion :
22
Au cours de cette partie, nous avons décrit le principe, les caractéristiques et l’architecture de la 3 ème génération du réseau cellulaire UMTS, ainsi nous avons donné une bibliographie complète sur la méthode d’accès CDMA large bande W-CDM, employé par UMTS. Dans ce qui va suivre, nous allons présenter une simulation avec MATLAB, de la couche physique chargée notamment de transporter l’information générée par les couches supérieures. Il s’agit de véhiculer cette information tout en respectant les contraintes de qualité et de performance, qui vont être assuré par l’obtention d’une bonne courbe des performances (TEB : taux d’erreur par bit en fonction de Eb/N0 Energie de bit sur la puissance du bruit).
Partie Simulation 23
1. Description Générale de la chaine de transmission de W-CDMA Une partie importante dans le W-CDMA est la chaîne de transmission des données qui sera réalisée à l’aide des composants analogiques et numériques. Tout d’abord, le W-CDMA incorpore l’étalement de spectre en émission et la procédure inverse en réception. Ensuite, cette chaîne de transmission met en place des techniques très souples de multiplexage. En effet, ces techniques permettent de gérer simultanément plusieurs services aux qualités variées, propres à une communication multimédia.
Figure 2.1 : Fonctions effectuées par la couche « physique » dans la chaîne de transmission
Dans la Figure 2.1 nous pouvons voir les différentes opérations de traitement du signal utilisées dans la chaîne de transmission W-CDMA. Les fonctions de multiplexage et de codage canal s’appliquent aux bits délivrés par les couches supérieures à la couche « physique ». Les fonctions inverses sont mises en place à la réception.
24
2. L’émetteur : Dans cette section nous présentons la partie de l’émetteur W-CDMA qui nous intéresse, c'est-à-dire l’étalement de spectre et la modulation radio.
2.1 Génération aléatoires des données La première étape consiste à générer les données qui doivent être transmises via la chaine de transmission. Pour se faire considérons que notre système est composée de Nu=4 utilisateurs souhaitant transmettre chacun leur propres données de longueur L=10000.
T
X(t) Transmission
Y(t)
0 C(t)
C(t) Figure 2.2 : Chaine CDMA Simplifiée
Pour se faire on génère une matrice Bits de dimension Nu x L telle que :
Longueur de données de chaque utilisateurs
Nombre
d’utilisateurs
2.2 Mise en forme du signal à transmettre La mise en forme du signal c’est le fait de passer du numérique en analogique, cette opération Permet d’adapter les données à transmettre au support de transmission. 25
Nous prenons dans notre cas un filtre de mise en forme en rectangle. Dans le cas de l’utilisation du rectangle, cette opération consiste à recopier chaque bit d’information de chaque utilisateur (Lc =8 fois dans notre cas).
2.3 Etalement De spectre Dans cette partie on va multiplier le signal mit en forme par le code associé à chaque utilisateur. Pour se faire, il faut d’abord générer la matrice de codes avec la fonction hadamard de MATLAB :
MatriceCodes=hadamard(Lc) Où Lc est la longueur des codes, il est également égal au nombre maximum d’utilisateurs possible dans le système. Chaque ligne de cette matrice correspondra à un code différent. Chaque ligne ou code sera donc associé à un utilisateur. On doit dupliquer le code de manière à ce que les deux signaux aient la même longueur, Pour se faire on utilise la fonction repmat de matlab : CodeDuplique=repmat(MatriceCodes(1 : Nu, : ),1,L) Après ces différentes opérations, On multiplie ensuite les deux matrices qui representent le signal mise en forme et le codes dupliqué élément par élément pour coder l’information de chaque utilisateur par son code associé. Une fois cette opération effectué, il faut sommer le signal codé de chaque utilisateur afin d’obtenir le signal qui va être émit sur la chaine de transmission. SignalSomme=Sqrt(1/Nu)*sum(SignalEmis,1)
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On obtient ainsi un signal, noté SignalEmis comme présentér sur la figure 2.3. Ce signal possède les données de nos utilisateurs.
Figure 2.3: de chaque utilisateurs
3.
Signal à émettre : représentant les données codé et mit en forme
Canal de propagation :
Dans notre chaine de transmission nous allons travailler avec un canal AWGN (Additive white gaussienne), c’est-à-dire nous allons supposer qu’uniquement un bruit additif est présent lors de propagation. Pour se faire il faut dons générer ce bruit qui va être additionné par la suite avec le signal émit. Nous avons généré le bruit comme suit : Bruit=sqrt(Lc*N/2)*randn(1,length(SignalSomme)) Le Signal qui va être reçu par le récepteur sera donc comme suit : SignalRecu=SignalSomme+Bruit
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Le signal qui va se propager sur le canal de transmission aura l’allure suivante :
Figure 2.4 Signal sur le Canal de propagation
On remarque que notre signal a subit une déformation par rapport, cela du au bruit présent dans le canal de propagation
4.
Le Récepteur :
Au niveau du recepteur, il faut effectuer l’opération de décodage des informations envoyées par l’utilisateur avec lequel nous sommes en communication. Pour décodé le signal recu , il faut effectuer une corrélation grace à la fonction xcorr de MATLAB. On génère une boucle dans notre programme pour décoder l’information de tous les utilisateurs. for f=1:Nu R(f,:)=xcorr(S_R,MatriceCodes(f,:)) end
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Il suffit ensuite d’effectuer une opération de seuillage tous les temps symboles T pour venir décider si un (1) ou un (-1) à été envoyée, pour se faire on tape la ligne suivante : Signaldetecte=sign(R(:,Lc*L:Lc:end))
Le récepteur reçoit le signal bruité présenté dans la figure 2.4, traite ce dernier pour restituer le signal original qui a été transmit par l’émetteur.
5.
Analyse des performances
Le paramètre qui permet d’estimer la performance d’une modulation dans une communication numérique est le TEB, le Taux d’erreur par bit. Nous avons effectué une comparaison entre la théorie et la pratique, c’est-àdire entre la probabilité qu’une erreur se produira et le taux d’erreur par bit qu’on a observé dans notre simulation. Cette comparaison est présentée par la figure ci-dessous :
Figureé 2.5 Comparaison entre la courbe de Pe et la courbe TEB
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Ou La courbe tracé par des « o » définit la Probabilité qu’un bit sera transmit avec erreur, et l’autre allure décrit le TEB en fonction du rapport Eb/No On remarque que lorsque Eb/No tend vers l’infini la courbe théorique égale a la courbe pratique.
5.
1 L’impact du nombre d’utilisateur sur le système CDMA
Figure 2.6 : Impact d’augmentation de nombre d’utilisateurs sur les performances
Les Performances de système CDMA se dégradent lorsque le nombre d’utilisateurs augmente, comme on peut la remarquer dans l’allure ci-dessus.
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Conclusion
Le déploiement de l’UMTS pose encore quelque difficultés, notamment les difficultés d’obtention des autorisations d’accès au spectre, et les prix exorbitants des licences, Mais il reste toujours beaucoup plus rapide, beaucoup plus puissante que ces prédécesseurs. Sa vitesse accrue de transmission de données permet des services comme : l'envoi de fichiers multimédias dans un temps relativement court avec le MMS, la visiophonie, la vidéo à la demande, la télévision. Dans le domaine de télécommunication, il est primordial de tester les techniques (d’accès…) avant de les utiliser. Ceci pour savoir comment vont évoluer les performances dans les différents environnements et conditions. C’est ce cadre que nous avons eu à étudier la technique d’accès CDMA.
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