LABORATOIRE INTERFACES CAPTEURS ET MICORELECTRONIQUE

Ecole Doctorale IAEM LorraineDpartement de Formation Doctorale Electronique- Electrotechnique

THESE DE DOCTORATPrsente pour obtenir le grade de docteur de lUniversit Paul Verlaine Metz

Discipline: ElectroniqueSpcialit : Microlectronique

Modlisation, simulation et optimisation des architectures de rcepteur pour les techniques daccs W-CDMA par

Mazen YOUSSEF

Soutenance prvue le 08 Juin 2009 10h Composition du jury Mohammad SAWAN Patrick GIRARD Abbas DANDACHE Camille DIOU Francis BRAUN Fabrice MONTEIRO Pr., cole Polytechnique de Montral canada Pr., Universit Paul Verlaine -Metz MC, Universit Paul Verlaine - Metz Pr. Universit Louis Pasteur - Strasbourg Pr., Universit Paul Verlaine - Metz (Rapporteur) (Directeur de thse) (Co-encadrement) (Examinateur) (Examinateur)

Directeur de Recherche au CNRS, LIRMM -Montpellier (Rapporteur)

_______________________________________________________________________________LICM 07 rue Marconi, 57070 Metz, France Tl. +33 (0)3 87 54 73 06 / 11 Fax : +33 (0)3 87 54 73 07 www.licm.sciences.univ-metz.fr

SOMMAIREINTRODUCTION GENERALE---------------------------------------------------------------------- 5 CHAPITRE 1 : TECHNIQUES DACCES AU MEDIA -------------------------------------- 91. 2. 2.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.2. 2.3. 2.3.1. 2.4. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1. 3.4. 3.5. 3.6. 3.6.1. 3.6.2. 3.6.3. 3.7. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 5. 5.1. 5.1.1. 5.1.2. 5.1.3. 5.2. 5.3. 6. Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------- 9 Transmission numrique de linformation ---------------------------------------------------- 9 Diffrents modles de rseaux-------------------------------------------------------------------- 10 Le modle OSI ------------------------------------------------------------------------------------- 10 Le modle TCP/IP --------------------------------------------------------------------------------- 12 Le modle UIT-T (ATM) ------------------------------------------------------------------------- 13 Arrangement fonctionnel des couches physique et liaison --------------------------- 14 Sous-couche de contrle daccs au canal (MAC)--------------------------------------------- 16 Politiques dallocations---------------------------------------------------------------------------- 16 Conclusion ------------------------------------------------------------------------------------------ 19 talement de spectre ----------------------------------------------------------------------------Principes de ltalement de spectre -------------------------------------------------------------Proprits de ltalement de spectre ------------------------------------------------------------talement de spectre par squence directe (DS-CDMA) ------------------------------------Principes du DS-CDMA -------------------------------------------------------------------------talement de spectre avec saut de frquence --------------------------------------------------talement de spectre avec saut de temps-------------------------------------------------------Proprits du CDMA -----------------------------------------------------------------------------Contrle de puissance ----------------------------------------------------------------------------Rcepteur multi trajet (RAKE) ------------------------------------------------------------------Handover -------------------------------------------------------------------------------------------Avantages et inconvnients de ltalement de spectre----------------------------------------Interface daccs large bande CDMA (W-CDMA) ---------------------------------------Caractristiques du W-CDMA ------------------------------------------------------------------Flexibilit et extensibilit de services dans le W-CDMA------------------------------------Flexibilit doprateur dans W-CDMA --------------------------------------------------------Description gnrale de la chane de transmission de W-CDMA ----------------------talement de spectre et la modulation radio dans le W-CDMA ----------------------------Proprits des codes utiliss pour ltalement de spectre ------------------------------------Code de canalisation ------------------------------------------------------------------------------Code dembrouillage -----------------------------------------------------------------------------Modulation QPSK --------------------------------------------------------------------------------Caractristiques du canal de propagation ------------------------------------------------------19 20 21 22 23 27 28 29 29 30 30 32 33 34 36 36 37 38 39 40 42 45 46

Conclusion ----------------------------------------------------------------------------------------- 47

CHAPITRE 2 : ARCHITECTURES DE RECEPTEURS W-CDMA ---------------------491. 2. 2.1. 2.1.1. 2.1.2. 3. Introduction --------------------------------------------------------------------------------------- 49 Architecture de rception ----------------------------------------------------------------------Partie analogique ----------------------------------------------------------------------------------Rcepteur htrodyne-----------------------------------------------------------------------------Rcepteur homodyne -----------------------------------------------------------------------------49 50 51 52

Convertisseur analogique/numrique -------------------------------------------------------- 53

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4. 4.1. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 5. 5.1. 5.2. 6. 6.1. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 7. 7.1. 7.2. 7.3. 7.3.1. 7.3.2. 7.3.3. 7.4. 8.

Partie bande de base ----------------------------------------------------------------------------Filtre dimpulsion adapt-------------------------------------------------------------------------tape dextraction et didentification des trajets multiples ----------------------------------Dtecteur de trajets multiples--------------------------------------------------------------------Doigts du rcepteur RAKE ----------------------------------------------------------------------Gnrateur de code -------------------------------------------------------------------------------tape de combinaison des trajets multiples ----------------------------------------------------Estimation de canal -------------------------------------------------------------------------------Combinaison ratio maximal (MRC) ----------------------------------------------------------Dsentrelacements et dcodage canal -----------------------------------------------------------

54 55 56 56 58 58 59 59 61 62

Trajets multiples et Diversit------------------------------------------------------------------- 62 Trajets multiple------------------------------------------------------------------------------------- 62 Diversit--------------------------------------------------------------------------------------------- 64 Rcepteur RAKE --------------------------------------------------------------------------------Concept original du rcepteur RAKE [Price et Green]---------------------------------------Rcepteur RAKE dans le CDMA ---------------------------------------------------------------Architecture conventionnelle du rcepteur RAKE--------------------------------------------Architecture du rcepteur FlexRAKE----------------------------------------------------------Rcepteur Time Multiplexed Parallel RAKE--------------------------------------------------Dtection multi-utilisateur en W-CDMA ---------------------------------------------------Interfrence daccs multiple --------------------------------------------------------------------Dtection multi-utilisateurs ----------------------------------------------------------------------Techniques de dtection multi-utilisateur------------------------------------------------------Techniques de dtections individuelles amliores o dtecteurs linaires ---------------Techniques dannulation dinterfrence--------------------------------------------------------Dtection conjointe -------------------------------------------------------------------------------volutions applicatives des techniques de dtection utilises par lUTRA----------------65 66 67 68 69 70 72 72 73 73 74 74 75 76

Conclusion ----------------------------------------------------------------------------------------- 77

CHAPITRE 3 : ARCHITECTURE DU RECEPTEUR CODERAKE---------------------791. 2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4. 2.3.5. 3. 4. Introduction --------------------------------------------------------------------------------------- 79 Extraction et identification des trajets multiples ------------------------------------------Problme li au systme W-CDMA ------------------------------------------------------------Problmes lis aux doigts du rcepteur RAKE------------------------------------------------Concept architectural du rcepteur CodeRAKE----------------------------------------------Architecture du dtecteur CodePath ----------------------------------------------------------Doigts du rcepteur CodeRAKE ---------------------------------------------------------------Buffer dchantillons (SB) -----------------------------------------------------------------------Unit de dstalement ----------------------------------------------------------------------------Gnrateur de code du rcepteur CodeRAKE ------------------------------------------------79 80 80 82 83 84 85 90 92

Avantages de l'architecture du rcepteur CodeRAKE ----------------------------------- 94 Conclusion ----------------------------------------------------------------------------------------- 95

CHAPITRE 4 : SIMULATION ET IMPLANTATION DE LARCHITECTURE DU RECEPTEUR CODERAKE --------------------------------------------------971. 2. Introduction --------------------------------------------------------------------------------------- 97 Flot de conception -------------------------------------------------------------------------------- 97

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3. 3.1. 3.2. 4.

Simulation sous MATLAB/Simulink --------------------------------------------------------- 98 Ralisation de la chane de transmission -------------------------------------------------------- 98 Calcul du taux derreur binaire (BER) --------------------------------------------------------- 100

Implantation de larchitecture CodeRAKE ----------------------------------------------- 103 4.1. Paramtres de limplantation -------------------------------------------------------------------- 104 4.2. Implantation de ltape dextraction et didentification des trajets multiples pour le rcepteur mobile (UE) --------------------------------------------------------------------------------------------------- 104 4.2.1. Architecture simple du rcepteur CodeRAKE------------------------------------------------ 104 4.2.2. Architectures parallles du rcepteur CodeRAKE ------------------------------------------- 109 4.3. Implantation de ltape dextraction et didentification des trajets multiples pour le rcepteur de la station de base (BS) ------------------------------------------------------------------------------------ 115 4.3.1. Fonctionnalit ------------------------------------------------------------------------------------- 115 4.3.2. Analyse de l'architecture ------------------------------------------------------------------------- 117 5. Conclusion ---------------------------------------------------------------------------------------- 118

CONCLUSION GENERALE --------------------------------------------------------------------- 121 TABLE DES FIGURES ---------------------------------------------------------------------------- 125 LISTE DES RFRENCE ------------------------------------------------------------------------ 127 LISTE DES PUBLICATIONS -------------------------------------------------------------------- 135 RESUME ANGLAIS/FRANAIS---------------------------------------------------------------- 137

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Introduction gnrale

Introduction gnrale

Le domaine des tlcommunications et des rseaux a connu profonds changements, et une volution rapide durant les dix annes coules. Avec lapparition de nouvelles technologies en tlcommunications, les normes modernes deviennent de plus en plus strictes en termes de qualit de service rendu aux clients. Mais sur le plan technologique en particulier, les rseaux de transmission ont vu leur capacit saccroitre, notamment concernant le dbit support et le nombre dutilisateurs. De plus, lintgration des services et la diversit des donnes changes (voix, vido haute dfinition, consultation interactive de base de donnes, Internet haut dbit) exigent des systmes de plus en plus rapides pour traiter des volumes dinformations en augmentation constante ; tous ncessitent toujours plus de vitesse, ainsi que des capacits de traitement du signal accrues, en conservant des dlais dattente les moins contraignants possibles pour lutilisateur. En bref, de la qualit de service rendue en termes de communication, quelles que soient les conditions dmission et de rception, se dgage deux mots cls : fiabilit et rapidit. Dautre part, laspect financier impos la ralisation dun projet peut tre un facteur dterminant dans le choix dune technologie donne, le but tant de satisfaire le cahier des charges avec un cot minimum afin dtre comptitif sur le march en assurant la meilleure rentabilit et en proposant des solutions originales et efficaces. Concernant les systmes de tlcommunication, diffrents niveaux de traitement peuvent tre considrs. Entre le niveau applicatif, qui concerne directement lutilisateur, et le moyen physique de transmission, pour lesquels seuls des signaux et les composantes lmentaires des donnes sont pris en compte, les algorithmes mis en uvre nont pas les mmes objectifs, ni les mmes contraintes de performances. lextrmit du dispositif de tlcommunication se trouvent les couches les plus basses de la chane de transmission, celles qui sont charges de produire un signal reprsentatif des donnes transmettre et adapt au mdia, en permettant sa transmission vers son destinateur, et aussi charg de rcuprer le signal de donnes au rcepteur adapt au signal transmis. Ce sont les couches basses qui sont les plus sensibles aux changements de protocoles de transmission, car elles doivent produire et rcuprer un signal dont les caractristiques physiques et temporelles sont trs dpendantes des spcifications du canal de communication. Aussi, les lments de rception requirent pour leur conception une attention toute particulire afin de ne pas brider la vitesse de traitement quils sont capables datteindre ; augmenter leur surface et donc leur consommation limiterait leur champ dapplication et les possibilits dvolution. Des systmes complexes de codage, modulation, dcodage, dmodulation, et des mthodes daccs sont donc apparues pour exploiter au maximum les capacits des mdias de transmission, et les architectures dmetteur et de rcepteur qui en dcoulent ont elles aussi d voluer pour supporter les

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Introduction gnrale cadences de traitement plus leves. Habituellement, ces architectures reposent sur des composants numriques compatibles avec les hautes frquences de fonctionnement. Mais limplantation de ces technologies est chre et difficile adapter lvolution des normes, des algorithmes ou des protocoles utiliss. Pour cela, la dmocratisation des circuits programmables de type FPGA (Field Programmable Gate Array) et leur adquation aux petites sries ainsi que laugmentation de leurs performances font quils ne sont plus seulement utiliss des fins de prototypage avant implantation sur silicium, mais aussi comme cible finale dune chane de conception. Ils prsentent de nombreux avantages : en particulier leur faible cot, mais aussi le fait doffrir une capacit dvolution importante aux systmes, permettant par consquent de sadapter rapidement aux changements de protocoles frquents dans le domaine des tlcommunications. En outre, ils sintgrent parfaitement dans la chane de conception dun systme o la rutilisation de blocs fonctionnels devient primordiale avec laugmentation de la complexit de ceux-ci et des cots et temps de dveloppements inhrents. En effet, la capacit de transport de donnes est simultanment lie aux limites physiques des systmes de transmission, aux techniques mises en place pour le partage des ressources entre les utilisateurs et aux traitements du signal reu. Pour obtenir une densification du trafic des donnes sur les rseaux de tlcommunications, des techniques daccs multiple sont utilises, comme laccs par rpartition de temps, appel Time Division Multiple Access (TDMA), ou laccs multiple par rpartition de frquence, aussi connue sous le nom de Frequency Division Multiple Access (FDMA). Laccs multiple par rpartition de code, ou Code Division Multiple Access (CDMA), est une technique de multiplexage dfinie comme talement de spectre. Cette dernire tait initialement destine aux applications militaires. Elle permet, par ltalement de la puissance sur une large bande de frquence du canal, de mieux rsister aux vanouissements (fading) slectifs en frquence et de donner au signal transmettre la forme dun bruit le rendant difficilement dtectable par des rcepteurs auquel le message nest pas destin. Un autre avantage est celui de la rsistance que confre ltalement de spectre aux brouilleurs pouvant apparatre en cours de transmission. Pour le CDMA, lutilisation de squences dtalement comme codes permettant de distinguer les diffrents utilisateurs donne, de plus, lavantage dexploiter simultanment lensemble de la bande de frquence est des intervalles de temps. Il en rsulte une meilleure gestion des ressources disponibles. Les conditions poses sur lorthogonalit des squences de code permettent de rduire les interfrences entre utilisateurs [VITE04 & VANG04]. En fait, le CDMA est la base de la norme IS-95-B ou cdmaOne et cdma2000 utilises dans les pays dAmrique de nord et de la norme UMTS (W-CDMA) de la troisime gnration de tlphonie mobile europenne. Les tudes lies la transposition des techniques CDMA dans les systmes de communication datent de ces vingt dernires annes. Voulant profiter de la trs large bande passante disponible sur le

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Introduction gnrale canal, le CDMA a aussi pour ambition daugmenter la capacit de multiplexage en augmentant le nombre dutilisateurs au prix dune dgradation supportable de la qualit de liaison, et en exploitant simultanment les intervalles de temps et la bande de frquence. Le CDMA offre lavantage potentiel de permettre une transmission synchrone des diffrents signaux (comme dans le cdma2000) ainsi quune transmission asynchrone (comme le W-CDMA), sans configurations de protocoles et rfrences externes de temps [OJAN98 & ERIC00]. Dans la liaison descendante et la liaison montante qui utilisent la technique daccs CDMA, les trajets multiples peuvent tre considrs comme un avantage. En effet, chaque trajet est porteur de la mme information, et nous pouvons donc les combiner afin dobtenir un signal unique dont la puissance serait renforce. Cette ide est le principe mis en uvre dans les rcepteurs RAKE utiliss dans les systmes de tlcommunication bass sur le CDMA. Le principe de ce rcepteur est trs simple, et il existe diffrentes implantations de cette architecture dont les seules diffrences se situent au niveau de la performance mesure : la vitesse de traitement quils sont capables datteindre, la surface ncessaire leur implantation, notamment en cas dutilisation de codes multiples pour chaque utilisateur, ou encore dans le cas dun environnement multi-utilisateur. Dautre part, les utilisateurs dune mme cellule possdent des codes d'talement orthogonaux. Lorsque le canal de transmission est slectif en frquences, il apparat de linterfrence entre symboles, de linterfrence entre les utilisateurs et par consquent une destruction de l'orthogonalit entre les codes des utilisateurs. Les rcepteurs bass sur des techniques d'galisation linaire du canal, en ce qui concerne le chip, permettent alors de combattre l'interfrence entre symboles due au canal et de rtablir au moins partiellement l'orthogonalit entre les utilisateurs. Ces rcepteurs sont constitus d'un galiseur linaire ralis au chip suivi d'un filtre adapt au code d'talement de l'utilisateur recherch [BOSS95 & WERN]. Le contexte de cette thse se situe en ce qui touche le dveloppement de larchitecture haut dbit dun rcepteur utilis dans les techniques daccs CDMA. En effet, les rcepteurs actuels requirent des dbits trs levs et une surface adapte aux diffrentes applications (station de base ou station mobiles). Ils doivent en outre prsenter des possibilits de redimensionnement et la complexit croissante avec l'augmentation du nombre d'utilisateurs ou du nombre de codes par utilisateur doit rester raisonnable. Lobjectif principal de ce travail est donc de concevoir une architecture rapide et configurable pour un rcepteur RAKE de faible cot et haut dbit permettant un traitement optimal des donnes. Ce rcepteur RAKE pourra ensuite tre intgr dans le rcepteur de la station de base ou de la station mobile avec le dtecteur de chemins multiples et lestimateur de canal. Lobjectif impos par le cahier de charges est de proposer un systme de rception complet en rpondant au maximum possible toutes les demandes par la satisfaction des points suivants :

traitement rapide des donnes (haut dbit) ;

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Introduction gnrale

architecture extensible et configurable en fonction de lenvironnement ; utilisation de technologie faible cot.Le deuxime objectif vise dvelopper une architecture complte de rcepteur pouvant tre ultrieurement implante sur un FPGA. Dans le contexte des tlcommunications, le traitement du signal reu reste la partie la plus complique traiter. En pratique, le rcepteur RAKE est le rcepteur le plus utilis, soit dans la station mobile en cas de code multiple par utilisateur, soit dans la station de base pour la dtection multiutilisateur. De plus, diffrentes tudes [LEE02, HARJ01, BIAN03 & CHUG05] ont dmontr que la performance du rcepteur RAKE classique surpasse celle des autres types de rcepteurs comme les rcepteurs bass sur des techniques d'galisation linaire. Cest pourquoi le rcepteur RAKE est utilis dans le technique CDMA. Quant laugmentation de la vitesse de traitement, deux solutions sont envisageables. Une solution directe consiste choisir en fonction des besoins sans prendre en compte le facteur cot ou le redimensionnement et la complexit de systme, solution qui ne rentre pas dans le cadre des objectifs globaux de ce travail. Une deuxime solution consiste trouver de nouvelles architectures permettant davoir un dbit convenable avec un faible cot sans compliquer le systme, ce qui est en adquation avec les objectifs fixs. La solution propose consiste dvelopper un modle RTL (Register Transfert Level) dune architecture de rcepteur et ensuite valuer la performance en termes de dbit de traitement et de surface consomme aprs synthse sur FPGA. Dans cette thse, nous avons propos une nouvelle architecture de rcepteur RAKE (CodeRAKE) compatible avec le changement du nombre dutilisateurs et du nombre de codes par utilisateur, et qui offre un bon compromis concernant le dbit et la surface adapte la paralllisation. Puis nous avons dvelopp une architecture de dtecteur de trajets multiples compatible avec notre rcepteur RAKE.

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia

1. IntroductionLe dveloppement des systmes de communication est limit par les contraintes sur la capacit de ces systmes, cest--dire l'augmentation du nombre d'accs simultans au canal de transmission, surtout parce que le spectre radio disponible est limit, ce qui oblige utiliser les ressources disponibles plus efficacement. Le dfi est de savoir comment transmettre plus de bits par seconde et par hertz. Un aspect important de cette question est de savoir comment le moyen commun de transmission est partag entre les utilisateurs. Cest--dire le plan d'accs multiple. Ce chapitre prsente en premier lieu une chane de transmission de signaux numriques, afin de situer et prciser limportance de la fonction daccs multiple, replace dans son contexte. Cette fonction se situe des positions dterminantes ce qui implique quelle est parmi les lments les plus sujets des volutions importantes comme, par exemple, le dbit impos par les protocoles de communication. Pour comprendre et aborder les difficults que doivent affronter les rcepteurs numriques lors du traitement dun signal haut dbit, nous allons expliquer les principes des diffrentes couches rseau, et aussi les diffrentes techniques daccs multiple. En effet, la mthode daccs multiple la plus rpandue parmi les nouvelles gnrations de systmes de communication est le CDMA (Code Division Multiple Access), technique daccs multiple utilise par les rseaux daccs radio de la 3G [RAPP02]. Effectivement, les concepts tudis dans ce chapitre serviront dintroduction aux chapitres suivants o les technologies de rception feront lobjet dune tude plus approfondie.

2. Transmission numrique de linformationLes systmes de transmission numrique de linformation vhiculent des donnes entre deux entits lmentaires que sont la source et la destination. Ces donnes circulent par le biais dun support physique qui peut tre un cble, de la fibre optique ou un faisceau hertzien [TANE03]

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia

2.1. Diffrents modles de rseauxIl tait ncessaire de disposer dune norme internationale pour permettre linterconnexion des rseaux. Pour cela, des efforts de modlisation ont t effectus pour permettre de sparer en niveaux les diffrents types de fonctionnalit dun systme de traitement numrique de linformation, plus particulirement dans le cadre de transmissions rseau. Il existe trois principaux modles : le modle OSI (Open System Interconnection), le modle TCP/IP (Transmission Contrle des Protocol/ Internet Protocol) et le modle UIT-T (Union International des Tlcommunications).

2.1.1. Le modle OSILISO (International Standard Organization) a dvelopp une norme pour linterconnexion des systmes ouverts appele OSI. Cette architecture hirarchique, connue sous le nom ISO/OSI , est compose de sept couches distinctes remplissant chacune une partie bien dfinie des fonctions ncessaires linterconnexion. Le modle OSI dcrit des niveaux de transmission, mais non les protocoles proprement dits. Il divise lensemble des protocoles en sept couches indpendantes entre lesquelles sont dfinis deux types de relations : les relations verticales entre les couches dun mme systme (interfaces) et les relations horizontales relatives au dialogue entre deux couches de mme niveau (les protocoles). Les couches 1, 2, 3 et 4 sont orientes transmission et les couches 5, 6, et 7 sont orientes traitement (figure 1.1).7 Application

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Prsentation

5

Session

4

Transport

3

Rseau Liaison de donnes Physique

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1

Figure 1.1: Modle rfrence OSI

1) La couche application (7) fournit les protocoles et les fonctions ncessaires pour les applications clientes ; 2) La couche prsentation (6) se charge de la reprsentation des informations que des entits dapplications se communiquent, ou auxquelles elles se rfrent au cours de leur dialogue. En effet, cette couche permet deux machines de communiquer mme lorsquelles utilisent des reprsentations des donnes diffrentes. Elle gre des structures de donnes haut niveau idales pour accomplir cette tche ;

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia 3) La couche session (5) fournit les services ncessaires ltablissement dune connexion de session entre deux entits de prsentation et la prise en charge des interactions ordonnes dchange de donnes. Elle assure lorganisation et la synchronisation du dialogue ; 4) La couche transport (4) garantit l'intgrit des donnes. Lune des tches principales de cette couche est daccepter des donnes de la couche suprieure et de les diviser en units plus petites : il sagit de lopration de fragmentation. Elle offre un service rel de bout en bout de la source la destination, indpendante du chemin effectif utilis entre les machines. De plus, cette couche vrifie et corrige les erreurs de transmission (modification, pertes, duplication), et ralise le contrle de flux, en surveillant la saturation du destinataire ; 5) La couche rseau (3) gre les connexions entre les nuds du rseau. Pour le modle OSI, il existe deux mthodes principales dacheminement : la commutation de circuits et la commutation de paquets. Cest cette couche qui gre les congestions sur les nuds du rseau ; 6) La couche liaison de donnes (2) prend les donnes de la couche physique et fournit ses services la couche rseau . Elle dcompose les donnes de lmetteur en trames de donnes puis les envoie de faon squentielle. Diffrentes mthodes permettant de protger les donnes contre les erreurs sont utilises, comme les codages de dtection et de correction derreurs. Dans les rseaux canal partag, cette couche soccupe aussi de contrler laccs au canal par lintermdiaire dune sous-couche MAC (Medium Access Control). 7) La couche physique (1) est responsable de la transmission des informations. Elle excute les fonctions ncessaires l'adaptation des cellules la trame de transmission. Nous pouvons dire que cette couche fournit les moyens mcaniques, lectriques, fonctionnels et procduraux ncessaires lactivation, au maintien et la dsactivation des connexions physiques destines la transmission de bits entre deux entits de liaison de donnes. Cest en ce qui concerne le fonctionnement de la sous-couche MAC et de la couche physique que nous nous intresserons plus en dtail dans la suite, car ce niveau quinterviennent en particulier les mthodes daccs multiple et les oprations de modulation et dmodulation numrique (talement, dstalement).

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia

2.1.2. Le modle TCP/IPTCP/IP dsigne communment une architecture rseau qui sest impose comme modle de rfrence en lieu et place du modle OSI (figure 1.2). Cela tient tout simplement son histoire. En effet, contrairement au modle OSI, le modle TCP/IP est n d'une implantation ; la normalisation est venue ensuite. Cet historique fait toute la particularit de ce modle, ses avantages et ses inconvnients. Par consquent, la segmentation en couches indpendantes dOSI nest pas prsente de faon aussi stricte dans TCP/IP. Le modle TCP/IP permet simplement de positionner les protocoles existants et futurs dans un cadre thorique.OSI7 Application

TCP/IP

Application 6 Prsentation

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Session

4

Transport

Transport

3

Rseau

Internet (IP)

2

Liaison de donnes Accs rseau

1

Physique

Figure 1.2: Modle rfrence TCP/IP

La couche application est immdiatement suprieure la couche transport , tout simplement parce que les couches prsentation et session sont apparues inutiles. Cette couche contient tous les protocoles de haut niveau, par exemple Telnet, TFTP (Trivial File Transfer Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), HTTP (HyperText Transfer Protocol) ; 1) La couche transport est la mme que celle du modle OSI. Elle permet aux applications dchanger des donnes indpendamment du rseau utilis, grce aux protocoles TCP et UDP (User Datagram Protocol) ; 2) La couche internet ou rseau est la cl de vote de l'architecture. Son rle est de permettre l'injection de paquets dans n'importe quel rseau et l'acheminement des paquets indpendamment les uns aprs les autres jusqu' la destination. Comme aucune connexion n'est tablie au pralable, les paquets peuvent arriver dans le dsordre ; le contrle de l'ordre de remise est la tche ventuelle des couches suprieures. 3) La couche accs au rseau est mal dfinie par le protocole. Elle regroupe tous les lments ncessaires pour accder un rseau physique, quel quil soit. Elle contient en

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia particulier les spcifications concernant la transmission de donnes sur le rseau physique, tout comme la premire couche du modle OSI.

2.1.3. Le modle UIT-T (ATM)Ce modle a t dvelopp par l'UIT-T (Union Internationale des Tlcommunications) de manire rester compatible avec le modle ISO. Larchitecture fonctionnelle du modle UIT-T est prsente sur la figure 1.3, dans le cas dATM (Asynchronous Transfer Mode).Plan gestion

Plan contrle Couche suprieure

Plan utilisateur Gestion de plan Gestion de couche Couche suprieure

Couche dadaptation ATM (AAL)

Couche ATM

Couche physique

Figure 1.3: Modle de rfrence UIT-T

Il a t spcifiquement conu pour permettre aux nouveaux rseaux de prendre en compte les applications multimdias, ce qui se traduit par lexistence de trois plans se partageant la mme ressource physique par multiplexage. Il utilise de petits paquets de longueurs fixes de type ATM [KOFM99]. Il prsente de nombreuses similarits avec le modle OSI, en particulier : 1) Les couches suprieures reprsentant les applications utilisant ATM ; 2) La couche ralisant l'adaptation ATM des couches suprieures (couche AAL : ATM Adaptation Layer). Cette couche gre linformation avec les couches suprieures et regroupe une partie des fonctionnalits de la couche (4) du modle OSI (il lui manque les oprations de fragmentation et rassemblage) ; 3) La couche ATM proprement dite, charge du transport des cellules de bout en bout selon un principe de commutation synchrone ou asynchrone. Elle est quivalente la couche (3) du modle OSI ; 4) La couche de transport des cellules sur un support physique (couche physique ). Les couches du modle ATM sont regroupes sur trois plans : Le plan utilisateur (User Plane) : ce plan permet bien sr de faire transiter dans le rseau les informations, mais il prend galement en charge les erreurs de transfert et la surveillance du flux mis.

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Le plan de contrle (Control Plane) : ATM tant en mode connecte, ce plan permet l'tablissement, la libration et la surveillance des connexions. Le plan de gestion (Management Plane) : ce plan assure des oprations de contrle et de maintenance (gestion des performances, dtection des pannes, protection du systme dinformation contre les pannes, localisation des fautes...). La gestion de protocole dpendant du support physique est confie la couche physique de ce modle. Elle est donc responsable de la transmission des bits dinformations. Celle-ci soccupe en plus de la reconnaissance de paquets ATM. Elle est donc quivalente aux couches (1) et (2) du modle ISO. En effet, ce mlange entre les deux couches ( physique et liaison ) est un rsultat de la diffrence entre les interfaces daccs (les mthodes daccs) utilises dans chaque systme de communication. Lexemple typique de ce montage est le modle IEEE, dans lequel la liaison est divise en deux sous-couches la couche LLC (Logical Link Control) et la couche MAC et la couche MAC a t intgre dans la couche physique . Effectivement, lavantage de cet assemblage est quil spcifie une couche LLC commune pour toutes les couches MAC. Cest ce qui permet linteroprabilit entre les standards issus du comit IEEE 802.x (figure 1.4).Modle OSI Modle IEEE 802

802.1 Interface de haut niveau Couche 2 Couche liaison de donnes 802.3 MAC 802.4 MAC 802.10 Scurit

802.2 LLC 802.5 MAC 802.6 MAC 802.11 MAC 802.12 MAC

Couche 1 Couche physique

PHY

PHY

PHY

PHY

PHY

PHY

Figure 1.4 : Les diffrences entre les modle OSI et le modle IEEE

2.2. Arrangement fonctionnel des couches physique et liaison Puisque tout notre travail sera positionn dans la sous-couche contrle daccs au mdia (MAC), nous prsentons dans la figure 1.5 les diffrentes fonctions de base dun systme de transmission numrique remplissant le rle dinterface entre le signal continu adapt au moyen de transmission et les informations binaires transmises aux couches suprieures. Cette figure prsente la fois des fonctions appartenant la couche physique , et dautres la couche liaison de donnes . Mais, certaines comme le codage de canal et linterface daccs peuvent appartenir aux deux niveaux simultanment.

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia La source du message correspond aux donnes fournies par la liaison de lmetteur, et rciproquement, la destination du message correspond la couche liaison du destinataire se trouvant lautre extrmit de la ligne de transmission. Effectivement, les lments binaires transmettre peuvent tre modifis par un codeur de source. Ceci est par exemple utile pour appliquer des oprations de compression permettant de rduire le nombre de bits effectivement prsents dans la squence envoyer vers le rcepteur. Cette tape repose en grande partie sur une bonne connaissance des paramtres statistiques du signal transmis. Le codage de canal permet entre autres dadapter cette squence de manire lui offrir une meilleure rsistance aux perturbations et autres bruits qui peuvent intervenir lors du transit sur le canal de transmission. Ce codage intervient sous la forme dalgorithmes base de codes cycliques, le code de Hamming ou encore les turbo-codes , et constitue une fonctionnalit de la couche liaison [BADR02] [HANZ02].

Couche LiaisonSource de message Codagesource/canal

Couche PhysiqueAccs Multiple(talement de spectre)

Modulation RF

Canal au media de transmission

Dmodulation RF

Des-talement de spectre

Dcodagesource/canal

Dtection du message

Couche Physique

Couche Liaison

Figure 1.5 : La couche physique et la couche liaison dun systme de transmission

Ltalement de spectre est destin, initialement, aux systmes de communications numriques. Profitant ainsi dune augmentation de la capacit de multiplexage tout en utilisant les proprits dtalement de spectre propre cette technique, lobjectif tait de rendre les transmissions plus robustes lapparition de brouilleurs et moins vulnrables aux interceptions ventuelles. Cet talement permet de coder et de transmettre autant de signaux quil est possible de gnrs de squences de code la seule condition que ces squences satisfassent des proprits dauto et dinter-corrlation adaptes. Les donnes mettre sont prsentes sous la forme de grandeurs abstraites nayant de signification logique que pour le systme numrique sur lequel elles sont produites. Il est donc ncessaire de leur associer une reprsentation physique concrte, qui peut se matrialiser, par exemple, sous forme dun signal lectrique. La fonction de lmetteur correspondante est la modulation, qui 15

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia associe chaque groupe des lments du message source un signal de dure T [FRAI99]. Cette association seffectue au niveau de lamplitude, de la frquence ou bien de la phase du signal transmis. Il est galement possible dutiliser une combinaison de plusieurs de ces paramtres. Lmetteur est galement charg deffectuer une fonction de filtrage et, le cas chant, de transposition de frquence afin dliminer les frquences parasites, et de centrer le signal modul autour dune frquence centrale souhaite compatible avec le support de transmission [PUJO03].

2.3. Sous-couche de contrle daccs au canal (MAC)Les rseaux peuvent tre diviss en deux catgories selon quils utilisent des connexions de type point point ou quils effectuent des diffusions sur un rseau multipoint. Dans un rseau diffusion, tous les abonns ont la possibilit dmettre et de recevoir. Le problme majeur consiste dterminer qui, un instant donn, a le droit dmettre. Pour cela, dans les rseaux on tablit de nombreux protocoles dans le but de rsoudre ces problmes. Les protocoles utiliss pour dterminer qui sera le prochain lu dun canal de communication accs multiples sont regroups dans une sous-couche interne la couche de liaison de donnes appele sous-couche de contrle daccs au canal ou souscouche MAC. Cette sous-couche joue un rle trs important dans les rseaux, et plus particulirement dans ceux dont le fonctionnement repose sur le principe daccs multiple, ou encore dans les rseaux points point. La sous-couche MAC contrle laccs au canal, savoir la technique dallocation des canaux de communication.

2.3.1. Politiques dallocations2.3.1.1. Allocation statique Le partage de canal dans cette allocation est ralis de faon statique. Par exemple, la mthode traditionnelle pour attribuer simultanment un rseau unique entre plusieurs voies de transmission consiste utiliser le multiplexage. En fait, toutes les techniques daccs multiple sont assorties dun type de duplexage permettant lchange dinformation entre le mobile et la station de base. Parmi les mthodes de duplexage, nous distinguons : 1) Le duplexage en frquence ou Frequency Division Duplex (FDD) : utilise deux bandes de frquences indpendantes, lune pour le sens montant (liaison montante Uplink ), l'autre pour le sens descendant (liaison descendante Downlink ). Il requiert une diffrence de frquence (bande de gardes) entre les voies montantes et descendantes pour rduire linterfrence entre elles. 2) Le duplexage dans le temps ou Time Division Duplex (TDD) : on transmet et on reoit sur la mme bande de frquences, mais des instants diffrents. De mme, un systme qui utilise le mode TDD requiert un temps de garde, ou priode de garde, pour minimiser linterfrence entre les moments dmission et de rception. La dure de cette priode de 16

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia garde est dtermine en fonction du temps maximum que met le signal pour effectuer un aller-retour entre lmetteur et le rcepteur. 3) Laccs multiple par rpartition de frquence ou Frequency Division Multiple Access (FDMA) : on alloue chaque utilisateur une bande de frquences unique. Dans ces conditions, un seul utilisateur peut se servir de ce canal pendant la priode o la communication a lieu [ANDR03]. En effet, le FDMA reprsente le mode daccs par excellence des systmes analogiques dits de premire gnration . Loin davoir disparu, ce mode daccs fait prsent partie intgrante de tous les systmes de deuxime et troisime gnration. Lexemple le plus reprsentatif dun systme utilisant ce mode daccs est le systme amricain AMPS (Advanced Mobile Phone Service). 4) Laccs multiple par rpartition dans le temps ou Time Division Multiple Access (TDMA), est typiquement numrique. Dans ce systme, une mme bande de frquence est partage par un certain nombre dutilisateurs. Cest--dire attribuer un intervalle (ou slot) de temps unique chaque utilisateur. On a donc N utilisateurs qui peuvent utiliser simultanment une mme bande de frquences [ANDR03]. Dans des conditions relles dutilisation, les systmes mobiles fonds sur le TDMA possdent une capacit de 3 6 fois suprieure celle des systmes analogiques fonds sur le FDMA. On doit noter quon ne peut pas toujours concder le TDMA comme une allocation statique, car il permet dallouer, dans certains cas, plusieurs slots au mme utilisateur. 5) Une autre mthode daccs multiple est le SDMA, autrement dit laccs multiple par rpartition dans lespace (Space Division Multiple Access). Dans cette mthode, les utilisateurs sont rpartis dans lespace et la communication entre le mobile et la station de base lieu par le biais dun faisceau unique rayonn par lantenne de cette dernire. Le canal dans un systme SDMA a donc une connotation spatiale. Le principe du SDMA repose sur le concept dantenne intelligente, appele ainsi par opposition aux antennes ayant un diagramme de rayonnement fixe, quil soit omnidirectionnel ou sectoriel. Dans la pratique, le SDMA est utilis en combinaison avec une ou plusieurs techniques daccs multiple que lon a dcrites prcdemment. Mme si le concept du SDMA existe depuis plusieurs annes, il nest pas encore utilis grande chelle pour des applications civiles grandes publiques, ce en raison, entre autres, de la complexit des calculs requis par son implantation [BANA01]. Dans les mthodes prcdentes, nous avons une frquence fixe, un temps fixe ou un espace fixe, cela signifie que pour chaque utilisateur il existe une frquence, un temps ou un espace fixe que lon ne peut pas changer ou utiliser simultanment pour les autres utilisateurs. Pour cette raison, on qualifie ces mthodes de mthodes allocation statique .

17

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia 2.3.1.2. Allocation dynamique Dans ce type dallocation, le partage de canal est ralis de faon dynamique. Pour cela, il est ncessaire dorganiser correctement les donnes pour quon puisse les rcuprer au rcepteur. Les mthodes daccs prsentes ci-aprs utilisent ce type dallocation : 1) Laccs multiple par rpartition de codes : Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique daccs multiple grce laquelle les diffrents utilisateurs peuvent communiquer simultanment dans une mme bande de frquences. La distinction entre les diffrents utilisateurs seffectue grce un code qui leur est attribu et connut exclusivement par lmetteur et le rcepteur. Si lon considre les systmes bass sur le FDMA et le TDMA, on saperoit que leur capacit est limite par la bande de frquences alloue chaque utilisateur. Aussi, la capacit dun systme bas sur CDMA est limite, notamment par le niveau dinterfrence dans le rseau. En fait, le principe et les caractristiques du systme CDMA seront notre principal dveloppement dans les explications suivantes. 2) Le multiplexage par rpartition sur des frquences orthogonales : LOFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est un cas particulier de la modulation multi-porteuse (MC pour Multi-Carrier). Un bloc de symboles dinformation est dcompos en sous-blocs. Chaque sous-bloc est ensuite transmis un dbit infrieur sur diffrentes sous-porteuses en parallle. Les signaux OFDM doivent tre orthogonaux, de telle sorte que les sous-porteuses puissent se recouvrir dans un mme spectre. Les signaux OFDM peuvent tre gnrs laide dune transforme de Fourier inverse. Aprs avoir t brevete en 1970, la technique OFDM a t longtemps mise lcart des applications commerciales en raison de la complexit que revt son implantation. Plus particulirement, le fait de raliser la transforme de Fourier en temps rel. Ce nest qu la fin des annes 80 que lOFDM a t retenue pour effectuer des applications de transmission audio numrique de haute qualit (DAB pour Digital Broadcasting System) et plus rcemment, dans des rseaux locaux sans fil trs haut dbit comme le standard HIPERLAN2. Dans le contexte de la tlphonie mobile, lOFDM peut tre utilise en combinaison avec dautres formes daccs multiple comme le FDMA, le TDMA et le CDMA pour donner lieu, respectivement, aux systmes FDMA multi-porteurs (MCFDMA), TDMA multi-porteuse (MC-TDMA), et CDMA multi-porteuse (MC-CDMA). Les premires ides pour utiliser lOFDM en combinaison avec le CDMA ont t prsentes dans [YEE93] et [FAZE93]. Au contraire des mthodes statiques, les mthodes dynamiques ne rservent pas une bande de frquences fixe ni un intervalle de temps spcifique de chaque utilisateur. Cest--dire que nous avons

18

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia deux approches possibles : dterministe et non dterministe. Dans lapproche dterministe, il existe un temps garanti chaque utilisateur, ce qui signifie quil y a une dure de transmission fixe : on dit que le temps est born ; il doit tre infrieur TMAX. Mais pour lapproche non dterministe, il nexiste pas un temps garanti chaque utilisateur, ce qui signifie quil ny a pas une dure de transmission fixe. Cest--dire que la borne suprieure pour la dure nexiste pas, car on a ici un temps moyen pour la transmission (t = Tmoyen), mais ce temps-l est tale avec une faible valeur qui va permettre de continuer la transmission. Dune manire gnrale, on peut dire que lallocation statique/dynamique donne des informations autres du dbit allou chaque utilisateur. Parce que dune part lallocation statique signifie que le dbit allou un utilisateur est fix et dtermin lavance. Dautre part, dans lallocation dynamique le dbit allou chaque utilisateur peut tre volu dans le temps. En fait, la plupart des systmes mobiles actuels sont hybrides, dans le sens o ils font appel plusieurs mthodes daccs multiple. Les systmes fonds sur le TDMA comme GSM et sur CDMA comme leIS-95 (cdmaOne) utilisent une composante FDMA [LAGR00, SANC04]. Dans la littrature, cet

aspect est rarement mentionn pour viter la confusion entre les diffrents systmes. Le nombre de mthodes daccs utilises dans un mme systme mobile sest accru avec le temps : une seule mthode daccs pour la premire gnration, deux pour la deuxime et jusqu trois mthodes pour la troisime gnration..

2.4. ConclusionNous avons prsent dans ce paragraphe les fondements thoriques qui rgissent la transmission numrique des informations. Le point et le rle des diffrentes mthodes daccs multiples dans une chane de transmission ont t explicits. De mme, les diffrents modles de rseaux ont t prsents. La notion dallocation statistique et dynamique a t aussi aborde. Le but de cette explication est de bien identifier le positionnement de la technique daccs multiple qui sera la base de notre tude et grce laquelle les diffrents utilisateurs peuvent communiquer simultanment dans une mme bande de frquences, en utilisant ltalement de spectre pour la distinction entre les diffrents utilisateurs. Cela signifie que la distinction seffectue grce un code qui leur est attribu et connu exclusivement par lmetteur et le rcepteur.

3. talement de spectreLes techniques d'talement de spectre sont des mthodes par lesquelles l'nergie gnre une ou plusieurs harmoniques est dlibrment tale, ou distribue dans le domaine des frquences ou le domaine du temps. Cest une technique par laquelle un signal est transmis sur une bande passante considrablement plus large que la bande ncessaire pour que lensemble des frquences composant le

19

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia signal original ne soient transmises par des mthodes classiques de modulation. Cette technique diminue le risque dinterfrences avec dautres signaux reus tout en garantissant une certaine confidentialit. Ltalement de spectre utilise gnralement une squence ressemblant du bruit pour taler le signal de bande troite en un signal de relative large bande. Le rcepteur rgnre le signal original en corrlant le signal reu avec une rplique de cette squence. Deux motivations sont lorigine de cette technique : en premier lieu, rsister aux efforts ennemis pour brouiller le signal, puis cacher la communication elle-mme. De nos jours, l'aspect partage d'une mme frquence par plusieurs utilisateurs (accs multiple) est lune de ses principales applications. Par ailleurs, l'talement de spectre facilite les transmissions numriques dans les cas dinterfrences par trajets multiples. Le saut de frquence, l'talement par squence directe, ltalement par pseudo-bruit (en utilisant des squences de pseudo-bruit), et les combinaisons de ces techniques sont des formes dtalement de spectre. Cette technique est rapparue dans les annes 1960. Elle est par exemple utilise par les systmes de positionnement par satellites (GPS, GLONASS), les liaisons cryptes militaires, les communications de la navette spatiale avec le sol, et plus rcemment dans les liaisons sans fil 3GUMTS (W-CDMA) et le WiFi (IEEE 802.11b) et Bluetooth.

3.1. Principes de ltalement de spectreLtalement de spectre (en anglais Spread Spectrum) est une technique par laquelle plusieurs utilisateurs peuvent tre prsents simultanment sur une mme bande de frquence.

Densit spectral de puissance

Signal dinformation

Niveau de bruit

Signal aprs talement

f

Figure 1.6 : Principe conceptuel de ltalement de spectre

Ltalement de spectre peut tre dfini de la faon suivante : Ltalement de spectre est une technique qui permet de transmettre un signal dinformation sur une largeur de bande plusieurs fois suprieure la largeur de bande minimale que le signal demande . Pour cette raison, ltalement de spectre est aussi considr comme une forme de modulation. Dans un systme talement de spectre, le signal transmis est tal partir dun code indpendant du message dinformation. Aprs stre synchronis avec lmetteur, le rcepteur doit utiliser ce mme code pour dstaler le signal et pouvoir par la suite rcuprer le message dinformation.

20

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Pour comprendre pourquoi ltalement de spectre a eu tant de succs, il faut relire les travaux de Claude Shannon, qui a le premier formalis ce concept. Commenant par la clbre expression qui dtermine la capacit dun canal :

S C = B log 2 1 + N

1.1

o C est la capacit du canal en bits par seconde, B la largeur de bande du signal transmis en hertz, S la puissance du signal en watt, N la puissance du bruit en watt et log2 la fonction logarithme en base 2. En dveloppant en srie cette fonction dans lexpression prcdente, on peut facilement arriver lexpression suivante :

C

ln (2 ) C S S ln (2 ) N B N B

1.2

On voit sur lexpression prcdente quil existe un rapport inverse entre la largeur de bande B (la bande occupe par le signal de transmission) et le rapport S/B (signal sur bruit) que lon mesure la rception. Plus prcisment, on observe quun rapport signal sur bruit moins important est ncessaire pour conserver la mme capacit de canal C si B augmente. Cest ainsi que lon dmontre les vertus de ltalement de spectre : la largeur spectrale est accrue afin dobtenir de bonnes performances la rception, le rapport signal bruit tant rduit au minimum. Le paramtre cl dans tout systme daccs radio talement de spectre est le gain de traitement. Ce dernier (que lon notera Gp Processing Gain ) est dfini comme le rapport entre la largeur de bande occupe par un bit dinformation aprs et avant talement. Si lon note Binf la largeur de bande occupe par un bit dinformation avant talement et Bspr la largeur de bande du signal tal, le gain de traitement satisfait :Gp

=

B B

spr inf

1.3

La valeur de ce paramtre reprsente la capacit des systmes daccs radio talement de spectre rejeter l'interfrence. Cest--dire que plus Gp est grand plus le systme rsiste au bruit.

3.2. Proprits de ltalement de spectreDans la figure 1.6, on a volontairement inclus un signal de bruit prsent sur une bande de frquence assez large. Ce signal de bruit reprsente toutes les sources dinterfrence et le bruit thermique. On observe sur la mme figure que le signal tal peut se retrouver noy dans linterfrence au point quil donne lillusion den faire partie. Un facteur essentiel qui explique le succs de ltalement de spectre dans le domaine militaire est que sans la connaissance du code dtalement, il est quasiment impossible de dtecter le signal transmis et de rcuprer le message dinformation quon convoie. Cette proprit est appele faible probabilit de dtection (LPD, Low Probability of Detection).

21

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Qui plus est, le signal tal rsiste fort bien aux interfrences qui occupent une largeur spectrale beaucoup plus troite. Il faut prciser que lon parle ici dune source ponctuelle dinterfrence qui ne serait prsente que sur une bande troite. Cette robustesse provient tout simplement du fait que linformation est tale sur une bande de frquence assez importante et profite dune certaine forme de diversit en frquence : seule une partie du spectre du signal utile tal est perturbe. De plus dans ce systme, la proprit de traiter des trajets multiples augmente le gain de traitement. En effet, dans un canal trajets multiples, plusieurs copies du signal transmis arrivent au rcepteur des instants diffrents. Un systme talement de spectre prsente une robustesse naturelle vis--vis des effets ngatifs causs par les trajets multiples sur le signal.

3.3. talement de spectre par squence directe (DS-CDMA)Il a t mentionn que ltalement de spectre est considr comme une forme de modulation, car les donnes dorigine sont transformes de telle sorte que la largeur de spectre ncessaire aprs transformation soit plusieurs fois suprieure celle des donnes dorigine. Cette transformation peut tre effectue de plusieurs manires diffrentes.

Source de donne

1Codage de canal Etalement Modulateur RF

2

Horloge chip

Gnrateur de code

Oscill. RF

Canal + Interfrence

3Dmodulateur RF

4

Dcodage Rcupration de donne de canal

Des-talement Oscill. RF Gnrateur de code Horloge chip

Figure 1.7: chane simplifie dmission et de rception dun systme DS-CDMA

La figure 1.7 montre un schma simplifi dun metteur/rcepteur DS-CDMA. Dans cet exemple, on appelle le dbit de la source de donne le dbit bit ; le dbit aprs le codage de canal dbit symbole et le dbit aprs ltalement de spectre dbit chip . La source dinformation en bande de bases Binf fournit donc des bits au codeur de canal pour avoir des symboles de largeur spectrale

22

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Bs au point 1. La largeur de bande des symboles du message va augmenter aprs ltalement, car le code dtalement est gnr au dbit chip Bspr qui est suprieur Bs . Le signal est ensuite mis sur porteuse fc (point 2). On suppose que le canal ajoute des interfrences provenant des utilisateurs de la cellule courante et des cellules voisines. la rception, le signal est dabord transform en signal en bande de bases par un filtre passebande, centr sur fc , limitant la largeur spectrale de linterfrence (point 3). Une fois en bande de bases, le signal est filtr pour ne retenir que le lobe principal du message. Nous supposons que lmetteur et le rcepteur sont parfaitement synchroniss et que lon utilise le mme code dtalement en mission comme en rception cest--dire dans les points 1 et 4. Enfin, le signal est dstal puis il est dcod pour rcuprer les donnes. Le DS-CDMA (Direct-Sequence Code-Division Multiple-Access), en anglais, ou AMRC (Accs Multiple Rpartition par les Codes), ou CDMA squence directe, est la technique dtalement la plus rpandue dans les systmes de radiocommunication mobile. Par exemple, elle est la base des systmes de deuxime gnration (comme cdmaOne) et de troisime gnration (comme W-CDMA,cdma2000).

Il est important de souligner que le rapport entre la puissance du signal dinformation et la puissance de linterfrence aprs dstalement (point 4) est proportionnel au gain de traitement. En effet, cest grce au gain de traitement que lon peut rcuprer le signal dinformation qui est, jusqu lentre du rcepteur, noy dans le bruit et les interfrences.

3.3.1. Principes du DS-CDMADans un systme DS-CDMA, le signal dinformation est directement modul par une squence. En ralit, cette squence est un code qui possde des proprits statistiques particulires comme nous allons le montrer ci-aprs. Dans la figure 1.8 nous dcrivons un exemple simple pour expliquer les principes de ltalement de spectre. Nous supposons que la longueur du code dtalement est de huit. Comme la figure 1.8 le montre, dans lmetteur le signal dinformation des utilisateurs 1 et 2 est tal avec un code dtalement unique pour chaque utilisateur (nous appelons le dbit du signal dinformation dbit symbole et le dbit de signal tal dbit chip ). En fait, la squence de donnes aprs ltalement a un dbit trs suprieur celui du dbit avant ltalement. Le dbit chip est quivalent au dbit symbole du signal dinformation multipli par la longueur du code d'talement. Aprs talement, les chips des utilisateurs 1 et 2 sont additionnes pour gnrer un signal mixte (multiplexage) et transmis sur le canal radio. Dans le rcepteur, le signal est multipli par le mme code dtalement utilis dans lmetteur. Le fait de multiplier le signal reu par la mme squence permet de ne garder que le signal dinformation. Cette procdure de dstalement nest possible que si le rcepteur est parfaitement synchronis temporellement avec lmetteur. Aprs la multiplication, les signaux sont intgrs sur la dure du symbole pour rcuprer le signal d'information.

23

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdiaUtilisateur 1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 Code dtalement 1 Squence de Donne 1 1 1 talement

Composite du signal20 0 -2 0 -2 2 00 2 -2 0

-1

Utilisateur 2 1

Squence de Donne 1 -1 1 -1 Code dtalement 1 1

1 1 -1 -1 -1 -1

Utilisateur 1 rcepteur

Intgrer et DumpCode de des-talement 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1

Donnes est rcupr pour utilisateur 1 1 1 1 -1

Figure 1.8 : Exemple dtalement de spectre

Dans notre systme DS-CDMA, si nous utilisons, par exemple, la modulation en phase (BPSK) avec des squences de codes pseudo-bruit bipolaires prenants des valeurs de lensemble {1} pour ltalement spectral, chaque utilisateur est indpendant lun de lautre. Le signal transmis par le k-ime utilisateur est :

S k (t ) =

2 S C k ( t ) d k ( t ) cos ( f c + k )

[1.4]

o S=Eb/T est la puissance moyenne, dk(t) est une impulsion rectangulaire de dure Ts qui prend des valeurs de lensemble {1}. CK (t) est aussi une impulsion rectangulaire de dure Tc reprsentant la squence de codes qui tale le spectre des donnes et prenant ses valeureux dans lensemble {1}. Le terme fc est la porteuse et k est le dphasage initial du signal. La relation entre la dure de limpulsion des donnes et des chips pour ltalement spectral est T=NTc o N est la priode (longueur) de la squence. Gnralement, nous supposons que Ck (t) et dk(t) sont respectivement le code numro k dun utilisateur et le symbole dinformation numro k . Ils sont donns par les expressions suivantes :

d k (t ) =

t bk (i ).u T i = i = s

i =

exp[ j

k

t (i )].u i T s

1.5

24

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia

c k (t ) =

i =

t p k ( i ). u i T c

1.6

o Ts et Tc sont respectivement la dure de symbole dinformation (Bs = 1/Ts sexprime en symboles. Par seconde sps ) et la dure de Chip (Bspr = 1/Tc sexprime en chips par seconde cps ). Il est important de souligner que dans un systme DS-CDMA, le dbit de symbole Bs est variable et dpend du service (voix, vido, donnes), alors que le dbit chip Bspr est constant. Si lon note que le dbit symbole Bs = 1/Ts , on dfinit le facteur dtalement not SF (Spreading Factor) comme le rapport entre le dbit chip et le dbit symbole. Dans les deux expressions prcdentes, u(t) est la Step Function dfinie par :

1 ..... Si 0 t < 1 u (t ) = 0 ..... SiAutrelaquellePk(i) = 1, et bk(i) est une squence du signal dinformation code.

1.7

Dans lexpression 1.6, Pk(i) est une squence binaire (1) du code dtalement dans

Dans un systme de radiocommunication CDMA, le canal de propagation est trajets multiples, cest--dire que des versions dcales du signal transmis parviennent au rcepteur des intervalles de temps diffrents. Alors que dans dautres systmes de radiocommunication, cette proprit est considre comme un inconvnient, dans un systme fond sur le CDMA, elle est considre comme un avantage, car une forme de diversit appele diversit de trajets multiples peut tre exploite. Lobjectif est de dtecter le plus grand nombre de trajets pour les combiner. Ainsi, le signal final se trouve renforc avant que ne dbute la phase de rcupration de linformation, ce qui se traduit par une diminution du taux derreur et, par consquent, par une amlioration des performances. Le nombre de trajets que lon peut dtecter saccrot proportionnellement avec le dbit chip et donc avec la largeur de bande occupe par le signal tal. Ce point sera tudi plus en dtail lorsque le principe du rcepteur RAKE sera prsent. Le signal reu quand le canal est modlis comme tant un bruit blanc gaussien (AWGN) de moyenne nulle nest reprsente par lexpression suivante :

r (t ) =

K 1 k =0

2S k

l=0

Lk

k ,l

( t ) c k ( t k ,l ) d k ( t k ,l ) + w ( t )

[1.8]

Nous supposons que K est le nombre dutilisateurs pour la voie montante et Lk est le nombre de trajets multiples pour les utilisateurs k (k = 0, 1, 2,... k-1). Notons que chaque trajet a un temps de retard diffrent. Dans lexpression [1.8], Sk reprsente la puissance de transmission de lutilisateur k. k,l et k,l sont respectivement le gain complexe du canal et le temps de retard du trajet l pour lutilisateur k. Le terme w(t) reprsente la densit spectrale de bruit gaussien. 25

Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Si on prend comme exemple le trajet numro 0 de l'utilisateur numro 0. Le signal reu, r(t) sera multipli par le code dtalement utilis en mission pour lutilisateur 0 (le conjugu du code dtalement convenablement align). Cette procdure de dstalement nest possible que si le rcepteur est parfaitement synchronis en temps avec lmetteur. Pour simplifier, nous supposons la relation suivante :

0 0,0 k,l (k 0,l 0) Tslexpression suivante :

1.9

En prenant en compte uniquement le trajet 0 de l'utilisateur 0, le symbole m dstal sera donn par

z0,0 (t) =

1 (m+1)Ts +0,0 * r(t)c0 (t 0,0 )dt Ts mTs +0,0

1.10

Dans lexpression [1.10], le symbole * reprsente le conjugu complexe. Le rsultat de cette intgration est donn par lexpression :

z 0 ,0 (t ) = A + B + C + Dsquence du signal dinformation qui a t transmise, donne par lexpression suivante :

1.11

Nous pouvons diviser lexpression de la sortie de lintgration au rcepteur en trois parties. A est la

A =

2S0

0 ,0

( m )b 0 ( m )

1.12

B est linterfrence entre les trajets multiples du signal dun utilisateur de canal (MultiPath Interference, MPI), donne par lexpression suivante :

(m 1)b (m 1) mTs + 0,l c (t )c* (t )dt 0 mTs +0,0 0 0,l 0 0,0 2S0 0,l B= Ts l =1 + (m)b (m) ( m+1)Ts + 0, 0 c (t )c* (t )dt 0,l 0 mTs +0,l 0 0,l 0 0,0 L0 1

1.13

C est linterfrence produite par laccs multiple du signal (Multiple Access Interference, MAI). Nous pouvons la dfinir par lexpression suivante :K 1 k =1

C=

(m 1)b (m 1) mTs +k ,l c (t )c* (t )dt k mTs +0,0 k k,l 0 0,0 2Sk k ,l Ts l=0 + (m)b (m) (m+1)Ts +0,0 c (t )c* (t )dt k ,l k mTs +k,l k k,l 0 0,0 Lk 1

1.14

Le dernier terme D montre la composante de bruit, que nous pouvons donner par lexpression suivante :

D=

1 (m+1)Ts +0,0 * mTs +0,0 w(t)c0 (t 0,0 )dt Ts

1.15

Dans un environnement avec vanouissement (o il y a beaucoup de trajets multiples, comme en zone urbaine), il est difficile d'empcher linteraction entre les codes dtalement assigns aux

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia utilisateurs, cest--dire quil est difficile de raliser l'orthogonalit parfaite surtout dans la voie montante. Donc, comme le montre lexpression [1.11] le dstalement est affect par linterfrence entre les trajets dun utilisateur (B) et linterfrence entre les utilisateurs (C). En fait, si le nombre dutilisateurs communiquant en mme temps sur la mme bande de frquence augmente, la puissance de l'interfrence augmente. La puissance de l'interfrence est dtermine par le rapport signal sur interfrence (SIR, Signal-to-Interference Power Ratio) ou par le taux d'erreur dans un bloc (BLE, BLock Error rate), ce qui signifie que le nombre d'utilisateurs qui peuvent communiquer dans un systme de communication dpend de SIR et de BLE.

3.4. talement de spectre avec saut de frquenceLtalement de spectre avec saut de frquence FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum) est une technique dtalement de spectre base sur le saut de frquence, dans laquelle la bande est divise en canaux ayant chacun une largeur de bande fixe. Pour transmettre des donnes, lmetteur et le rcepteur saccordent sur une squence de sauts prcise qui sera effectue sur ces sous-canaux. Dans un systme FH-SS, la frquence porteuse saute littralement dune frquence porteuse une autre suivant une squence unique connue exclusivement par lmetteur et le rcepteur concern. Celle-ci est dfinie de manire optimale de faon minimiser les probabilits de collision entre plusieurs transmissions simultanes. Si une station ne connat pas la squence de saut des canaux, elle ne peut rcuprer les donnes, car elle ne reoit quun bruit de fond. Cette technique tait utilise auparavant par les militaires pour scuriser leurs transmissions. Pour transmettre les donnes, le FH-SS les transforme en un ensemble de signaux, appels symboles, reprsentant chacun un ou plusieurs bits de donnes. Ces signaux sont ensuite moduls par le biais de la technique de modulation GFSK (Gaussian Frequency Phase Keying), grce laquelle un dbit entre 1 et 2 Mbits/s peut tre atteint. En fait, les sauts de frquence ont lieu dans une rgion spectrale finie. Le message transmettre de priode Ts est plac sur une porteuse de frquence fc dont la valeur se trouve comprise dans la rgion spectrale finie. Tous les intervalles de temps Ts , la frquence porteuse prennent une nouvelle valeur (toujours comprise dans la rgion spectrale finie). La valeur de la nouvelle frquence porteuse est dtermine par un code pseudo-alatoire . Si la longueur du code est M, le synthtiseur devra fournir 2M frquences diffrentes. Les utilisateurs dans un rseau FH-SS transmettent de faon simultane et on doit faire en sorte que leurs sauts respectifs ne se fassent vers la mme frquence afin dviter autant que possible les collisions. Le gain de traitement dans un systme FH-SS dpend du nombre total de sauts de frquences sur la rgion spectrale finie et du nombre de sauts de frquence pendant la dure dun symbole dinformation.

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Il existe deux types dtalements de spectre par saut de frquence. Lorsque Tc > Ts , il sagit dun systme saut de frquence rapide. Dans ces conditions, il faudra sattendre ce que la frquence porteuse change un certain nombre de fois pendant la transmission dun symbole. Dans le cas contraire, si Tc < Ts , le systme est appel saut de frquence lent, ce qui implique que plusieurs symboles sont transmis sur la mme frquence porteuse. On peut utiliser une technique de saut de frquence lent qui, combine au TDMA, donne une mthode daccs hybride appele FH-TDMA [LAGR00]. Le but de ce systme est damliorer la robustesse du systme vis--vis des interfrences localises sur une mme frquence porteuse et de se protger contre les vanouissements (fast fading). Lun des avantages du FH-SS est quil permet, thoriquement, de faire fonctionner simultanment un nombre de rseaux gal au nombre de canaux dans une mme zone, chaque rseau utilisant une des squences prdfinies. En pratique, pour des raisons de recouvrement de canaux, le nombre de rseaux et le nombre de canaux ne sont pas gaux sur une mme cellule. Un autre avantage du FH-SS est son immunit face aux interfrences. Comme le systme saute chaque intervalle de temps dun canal lautre sur la totalit de la bande, si des interfrences surviennent dans la bande, cela nengendre pas dimportantes pertes de performances. Si un canal correspondant une frquence est perturb, celui-ci est inutilisable temporairement. Aucune communication na lieu pour la station utilisant cette frquence. Cette interruption ne dure quun seul intervalle de temps, nempchant pas la communication de se poursuivre ensuite. Le principal inconvnient du FH-SS vient de son dbit, limit 2 Mbits/s.

3.5. talement de spectre avec saut de tempsLtalement de spectre par squence directe et avec saut de frquence nest pas la seule technique utilise dans les systmes de radiocommunication mobile. Une autre technique consiste taler le spectre par saut de temps : le systme de communication qui en rsulte est appel systme dtalement de spectre saut de temps (Time Hopping spread Spectrum, TH-SS). Contrairement aux deux systmes de ltalement de spectre avec squence directe et avec saut de frquence, dans un systme TH-SS la transmission de donnes se fait par lintermdiaire de sauts de temps, o le signal est transmis de manire discontinue sous forme de salves brves. En fait, les dures des salves sont dtermines par le code dtalement. Pour transmettre des donnes, lmetteur et le rcepteur saccordent sur un temps de saut prcis. Nous considrons les signaux de saut de temps comme des signaux large bande parce que le taux de transmission pendant les salves doit tre considrablement lev pour obtenir un taux de transmission global quivalent celui dune transmission continue.

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia

Frquenc DS-SS FH-SS TH-SS

TempsFigure 1.9: La famille des talements de spectre

Dans la famille des talements de spectre, ltalement de spectre avec saut de temps est le plus rarement utilis dans les applications pratiques. Une comparaison entre les trois membres de la famille des talements de spectre est prsente dans la figure 1.9. Il est galement possible dutiliser simultanment deux ou trois des mthodes disponibles pour construire une mthode hybride de modulation [OJAN98]. Bien que ceci puisse tre utile dans quelques applications, cela accrot la complexit de limplantation et, selon le systme, peut tre avantageux ou non.

3.6. Proprits du CDMALes systmes CDMA incluent un certain nombre de dispositifs qui ne sont pas forcment prsents dans les autres systmes de communication. Ces proprits sont trs importantes connatre parce quelles permettent de diffrencier les systmes. Elles jouent aussi un rle important pour augmenter la capacit du systme, amliorer la qualit de service et dvelopper la performance du systme du point de vue du dbit/surface.

3.6.1. Contrle de puissanceLutilisation du contrle de puissance dans tout systme cellulaire bas sur le CDMA est un point faible du point de vue de la performance gnrale du systme, parce quil a un rle essentiel dans les performances du rseau en termes de couverture, de capacit et de qualit de service. En effet, lintrt du contrle de puissance sera plus facilement apprci lorsque leffet dit proche-lointain sera dcrit. tant donn que tous les utilisateurs partagent la mme bande de frquences, chacun dentre eux est considr comme un brouilleur en puissance, cest--dire quun problme dinterfrence daccs multiple pourra tre considr si les signaux tals ne sont pas orthogonaux. En pratique, pour un systme CDMA sans contrle de puissance, la puissance du signal de lutilisateur le plus proche de la station de base serait plus importante que celle de lutilisateur le plus loign. Cette situation a pour effet que le signal de lutilisateur le plus proche blouit le signal de lutilisateur le plus loin vis--vis de la station de base (le problme deffet proche-lointain est inexistant dans la voie descendante).

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Deux types de contrles de puissance sont utiliss dans les systmes bass sur le CDMA : le contrle de puissance en boucle ouverte ou en boucle ferme [OJAN98].

3.6.2. Rcepteur multi trajet (RAKE)La deuxime proprit des systmes CDMA est le traitement des trajets multiples. Ce traitement des diffrents trajets du signal va servir augmenter la capacit de systme ainsi qu amliorer sa performance. En fait, la propagation des ondes radio dans un canal est caractrise par de multiples rflexions et attnuations du signal. Ces phnomnes sont dus aux obstacles naturels, tels que les immeubles et les montagnes qui provoquent une propagation caractrise par des trajets multiples. Le signal peut mettre plus ou moins de temps pour arriver au rcepteur en fonction du parcours qu'il emprunte. Ainsi, la mme information peut tre reue plusieurs fois par le rcepteur avec une puissance plus ou moins importante. Si le retard est plus long que la dure d'un chip, le rcepteur considre habituellement l'information reflte comme un bruit indsirable. un instant donn, il est clair qu'une onde peut emprunter plusieurs parcours ayant chacun une longueur sensiblement diffrente. Les ondes qui empruntent des parcours ayant une diffrence de longueur quivalente une demi-longueur d'onde arrivent donc quasiment au mme instant au rcepteur, ces deux ondes s'annulent. Cette annulation de signal due des trajets multiples est appele fast fading et interviens lorsque le rcepteur est immobile ou se dplace faible vitesse. Du point de vue de chacun des signaux du trajet multiple, les autres signaux ou les autres trajets peuvent tre considrs comme des interfrences. Ces trajets multiples vont donc conduire en gnral diminuer le gain de traitement. Mais, cette proprit peut tre exploite en recevant les signaux des trajets multiples sparment et en les combinant de faon cohrente par lemploi dun rcepteur en rteau (RAKE) [LEE98]. Le principe la base d'un rcepteur RAKE est le suivant : les dphasages des diffrents signaux reus selon diffrents trajets sont compenss, aprs quoi les signaux sont combins de faon renforcer le signal dstal. Il s'agit fondamentalement d'une srie de corrlateurs parallles (pour le dstalement) appels doigts (RAKE fingers). Chaque doigt reoit, traite et combine un trajet du signal. Comme chaque doigt reoit une copie du mme signal (un trajet), et que chaque trajet a un retard diffrent, le code dtalement (dans lopration de dstalement) doit tre retard dune mme dure pour le synchroniser avec le trajet correspondant. De fait, le bloc qui permet de suivre et de dtecter les retards de chaque trajet (Path Searcher) est trs important pour la fonctionnalit du rcepteur RAKE [LEE98]. Le rcepteur RAKE et le dtecteur des trajets multiples (Path Searcher) seront tudis en dtail dans les chapitres suivants.

3.6.3. HandoverLe handover prsente une trs importante influence sur la rception dans la station mobile. En gnral, pendant la procdure de handover, le mobile doit interrompre la communication avec une

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia station de base avant den tablir une autre avec une station de base diffrente. Dans ce cas-l, il aura besoin de connatre le code de la nouvelle station de base. Au contraire, pour la frquence, et parce que dans un systme CDMA les cellules voisines utilisent la mme frquence porteuse, le mobile peut conserver une liaison radio avec plusieurs stations de base simultanment, puisquil ny a pas de rupture physique de la communication. Cela signifie que le soft-handover nexiste pas dans les systmes CDMA [HOLM04]. En effet, deux types de handover sont dfinis dans le cadre du CDMA : le soft-handover et le softer-handover. Par dfinition, un soft-handover comprend une phase o le mobile est connect deux stations de base simultanment ou plus ; cette phase est appele macrodiversit . Le softhandover se manifeste diffremment suivant que lon considre la voie descendante ou montante. Dans la voie descendante, lorsquune procdure de soft-handover a lieu et que le mobile entre en tat de macrodiversit . Cela peut tre considr comme une forme de diversit spatiale, puisque chaque station de base transmet le mme signal en utilisant un code diffrent. Le rcepteur du terminal mobile reoit le signal transmis par chaque station de base et les trajets multiples qui laccompagnent, et les combine suivant le principe du RAKE. Pour ce faire, le gnrateur de codes du rcepteur RAKE doit gnrer les codes correspondant chaque station de base. Le mcanisme de soft-handover de la voie montante a lieu lorsquun mobile est simultanment en communication avec deux stations de base. Chaque station de base traite indpendamment le signal reu et rcupre linformation binaire, qui est ensuite envoye au contrleur des stations de base (Base Station Controller, BSC) qui va slectionner linformation prsentant la meilleure qualit. Le softer-handover est une autre forme de macrodiversit qui est obtenue lorsque le mobile tablit une communication avec une station de base dans un secteur et, en se dplaant, passe un autre secteur, sachant que tous les deux sont grs par la mme station de base. Dans ce type de handover, le mobile peut tablir une communication simultanment avec deux secteurs grs par la mme station de base lorsquil se trouve dans la surface o les deux secteurs se chevauchent. Dans la voie descendante, le mobile combine les signaux provenant des deux secteurs (transmis sur deux canaux distincts par la mme station de base) laide dun rcepteur RAKE, tout comme dans le cas du soft-handover. En revanche dans la voie montante, le signal sera combin directement dans la station de base laide, par exemple, dun rcepteur RAKE. L'avantage du handover dans le CDMA est qu'il augmente la capacit de la cellule parce que, dans la voie descendante, le mobile peut combiner de manire cohrente les signaux provenant de diffrentes stations de base. De mme, dans la voie montante, les mmes signaux reus par deux stations de base peuvent tre combins dans le BSC. Un autre avantage du handover est qu'il rduit l'interfrence cause par la station mobile dans les autres cellules.

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia

3.7. Avantages et inconvnients de ltalement de spectreLe systme CDMA large bande (W-CDMA) prsent de multiples avantages : Un gain de traitement plus lev : llargissement de la bande occupe par le signal tal permet daugmenter le gain de traitement et par consquent de rendre le signal moins sensible aux interfrences et au bruit. Il permet aussi daccrotre le nombre dutilisateurs prsents dans une cellule. Qui plus est, lorsque la bande dtalement est largie, il est plus difficile dintercepter le signal transmis entre un metteur et un rcepteur, car le spectre du signal dinformation se confond avec du bruit. Une possibilit de transmettre des services haut dbit : en fait, les anciens systmes utilisent un grand nombre de techniques de traitement du signal afin de restituer un service de voix de grande qualit. Ltalement de spectre offre aux utilisateurs des services multimdias tels que les donnes et la vido en temps rel, services qui requirent des dbits plus importants et, par consquent, une largeur de bande plus leve. De meilleures performances pour dtecter des trajets multiples : dans un canal de propagation trajets multiples, des versions dcales du signal transmis parviennent au rcepteur des intervalles de temps diffrents. Alors que, dans dautres systmes de radiocommunication, cette proprit est considre comme un inconvnient, dans un systme CDMA, elle est considre comme un avantage, car une forme de diversit appele diversit de trajets multiples peut tre exploite. Lobjectif est de dtecter le plus grand nombre de trajets pour les combiner. Ainsi, le signal final se trouve renforc avant que ne dbute la phase de rcupration de linformation. Ce qui se traduit par une diminution du taux derreur et, par consquent, par une amlioration des performances. Le nombre de trajets que lon peut dtecter saccrot proportionnellement avec le dbit chip et donc avec la largeur de la bande occupe par le signal tal. Une possibilit de dploiement dans un spectre de frquence dj utilis : faire cohabiter un systme CDMA large bande et un autre systme cellulaire sur un mme spectre de frquence est techniquement possible [BAIE94 & LAUR92]. En effet, plus la largeur de la bande du signal tal dans un systme CDMA est grande et plus le signal peut sapparenter du bruit pour un autre systme cellulaire qui oprerait dans la mme bande. Le premier tat des spcifications techniques de lUMTS, par exemple, a permis dallouer 5 MHz un utilisateur mais il nest pas exclu, dans le futur, dtendre la largeur de la bande 10 MHz ou 20 MHz : plusieurs sous-systmes offrant une bande passante par utilisateur de 5 MHz ou de 10 MHz pourraient cohabiter pourvu que leurs frquences porteuses ne se chevauchent pas. Le revers de la mdaille est que, le dbit chip tant plus lev, un systme CDMA large bande requiert un support matriel et logiciel plus labor que les autres systmes. En outre, par rapport aux

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia systmes bass sur le FDMA ou le TDMA, un systme CDMA large bande prsente des inconvnients : Une interfrence 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 lorthogonalit des signaux tals (les signaux cods sont aligns dans le temps), dans la voie montante (du terminal mobile vers la station de base), toujours en absence de trajets multiples, les signaux tals ne sont plus orthogonaux parce que les utilisateurs transmettent de faon non synchronise et les mobiles crent des interfrences entre eux. Ces interfrences dsignes sous le nom dinterfrences daccs multiple (Multiple Acces Interference, MAI) sont beaucoup plus importantes que dans les systmes TDMA ou FDMA o lorthogonalit temporelle et/ou frquentielle savre plus efficace.

Une synchronisation temporelle prcise. Pour effectuer la corrlation entre le codegnr la rception et celui qui se trouve dans le signal reu, une synchronisation temporelle trs prcise, de lordre dune fraction de chip, est requise. Une mauvaise synchronisation temporelle peut tre lorigine dun bruit de corrlation gnr la rception, ce qui constituerait une source additionnelle dinterfrence. De ce fait, la synchronisation dans un systme CDMA constitue lune des tches de traitement numrique qui demandent le plus de ressources tant logicielles que matrielles ;

Un contrle de puissance rapide. Plus un utilisateur est proche de la station de base, plusla puissance reue par celle-ci est grande. Ainsi, les utilisateurs situs plus loin auront beau mettre la mme puissance que les utilisateurs proches de la station, celle-ci risque de ne pas les dtecter parce que ces derniers auront bloui la premire ou encore cr une interfrence importante. Ce phnomne connu sous le nom deffet proche-lointain peut tre vit si lon met en place un mcanisme de contrle de puissance permettant tous les utilisateurs davoir la mme puissance la rception, cest--dire au niveau de la station de base. Le contrle de puissance doit tre suffisamment rapide pour viter que leffet proche-lointain ne se produise. Or, dans la pratique, on est confront des erreurs dans lestimation de la puissance, des erreurs dans lestimation du signal de commande qui ordonne daugmenter ou diminuer la puissance, ou encore des retards de propagation qui font que le contrle de puissance est difficile ajuster.

4. Interface daccs large bande CDMA (W-CDMA)Avant daborder laspect pratique de la conception de la partie rception du systme utilisant ltalement de spectre, nous nous intresserons ici la thorie de linformation quelle impose par la mthode daccs large bande. Les paragraphes suivants nont pas pour but de dmontrer la thorie, mais juste de donner des notions fondamentales de la structure du systme W-CDMA afin de montrer

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia lenvironnement technique adquat qui permet deffectuer une transmission fiable travers un support de transmission. En effet, le CDMA large bande (W-CDMA) est une extension du concept de CDMA bande troite. Le W-CDMA a t cibl pour la troisime gnration (3G) des systmes de communication comme lUMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems). Les diffrences les plus nettes entre les systmes de troisime gnration et les systmes de deuxime gnration se trouvent dans les protocoles de communication sur linterface daccs. En fait, le CDMA a dj t utilis comme interface daccs dans les systmes de deuxime gnration comme IS-95 qui ont t construits principalement pour fournir des services tels que la parole dans les macrocellules. Ce systme a t prsent gnralement sous le nom de systme CDMA bande troite. Lvolution du CDMA vers le W-CDMA a t faite pour tenir compte des nouvelles exigences introduites par les systmes de communication 3G. Ces exigences sont principalement dictes par les nouveaux services haut dbit tels que le multimdia, la vidoconfrence, linternet, etc. Dans cette section, les principales caractristiques de l'interface d'accs W-CDMA sont prsentes. Pour plus dapprofondissement, se rfrer [HOLM04].

4.1. Caractristiques du W-CDMAToutes les caractristiques du CDMA s'appliquent galement au W-CDMA. Nanmoins, le WCDMA apporte plusieurs amliorations concernant la performance et la flexibilit des services, ainsi que lexploitation de lextensibilit. Les principales diffrences entre CDMA et W-CDMA [DAHL98] sont couvertes dans les sections suivantes. Le CDMA et le W-CDMA sont des systmes daccs multiple par rpartition de code utilisant une modulation par squence directe (DS-CDMA, Direct Sequence Code Division Multiple Access). Cela signifie que les bits correspondants aux donnes utilisateur sont tals sur une large bande passante en multipliant ces donnes utilisateur par une squence pseudo-alatoire de bits (appele chip) provenant des codes dtalement CDMA. Afin de pouvoir supporter des dbits trs levs (jusqu' 2Mbit/s), le W-CDMA utilise des transmissions facteur dtalement variable et codes multiples. Le dbit chips (dbit binaire de la squence de code) de 3.84 Mc/s donne une bande passante par porteuse de lordre de 5 MHz. La large bande passante par porteuse du W-CDMA permet de supporter des dbits utilisateur importants. Elle a en outre un impact bnfique sur les performances du systme. En effet, en fonction de la licence qui lui a t attribue, loprateur peut utiliser plusieurs porteuses pour augmenter la capacit de son rseau. Lespacement des porteuses peut tre choisi par pas de 200 kHz, entre 4,4 et 5 MHz, selon le niveau dinterfrence entre les porteuses. Contrairement le IS-95, le WCDMA ne ncessite pas de synchronisation des stations de base. Il ny a donc pas besoin de rfrence globale de temps comme pour le GPS (Global Positioning System).

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Chapitre 1 : Techniques daccs au mdia Tableau 1: Les diffrences principales entre les interfaces radio W-CDMA et