Download - introduction à l'UMTS et le W-CDMA
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Introduction à l'UMTS
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Objectifs 3G• Débits élevés:
– 144Kbps : zone rurale.– 384Kbps : zone semi-urbaine (vitesse < 120 km/h).– 2Mbps : couverture limitée (piétons).
• Intégration de services:– débits multiples.– débits variables sur une connexion.
• Accès paquets efficace.• Possibilité d'utilisation de techniques d'amélioration
de capacité:– détection multi-utilisateurs (MUD), suppression
d'interférences.– antennes adaptatives.
• Compatibilité avec les systèmes 2G.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Réseau UMTS
[Source : ATT Wireless WhitePaper]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Interface Radio : Techniques d'accès multiples
f
t
Usager 1
Usager 2
Usager 3
f1
f2
f3
f
tUsager 1Usager 2Usager 3
f
f
t
Usager 1Usager 2
Usager 3
code
C3C2
C1
Accès FDMA Accès TDMA
Accès CDMA
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Techniques d'accès multiples : rappels
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Techniques d'accès multiples : rappels
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Multiplexage sur voie radio– TDD : une seule fréquence
alternativement dans chaque sens:• flexibilité dans allocation de
spectre �.• débits asymétriques �.• synchronisation plus complexe �.
– même point de basculementup/down dans tout le réseau.
– ⇒ synchronisation de BS.– ⇒ même niveau d'asymétrie
dans tout le réseau.– FDD : émission/réception simultanée
• bien adapté aux débits symétriques �.• allocation de spectre non optimisée �.
– FDD plus avancé que TDD au 3GPP.
Point de basculement entre 2cellules adjacentes
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Etalement de spectre à séquence directe
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Codes d'étalement• Facteur d'étalement ou Spreading
Factor (SF):
• Autocorrélation ⇒ synchronisation du code.
• Intercorrélation ⇒ séparation des canaux: un canal = un code PN.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Séquences PN• Code PN: séquence pseudo-aléatoire
obtenue à partir d'un registre à décalagen étages.
• Séquence M: séquence de longueurmaximale ⇒ période de la séquence :N=2n - 1.
• Propriétés des séquences M:– le nombre de 1 et de 0 est quasiment
identique.– la probabilité d'une suite de 1 ou de 0
de longueur N1 est égale à 2-N1.– autocorrélation:– intercorrélation:
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Codes orthogonaux• Intercorrélation des codes
orthogonaux nulle si les codes sontsynchronisés:⇒ couplage avec un code PN pour lasynchronisation.
• Utilisation de la matrice deHadamard:
– construction récursive.– 1 ligne de HN = 1 code.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Codes orthogonaux de longueur variable (OVSF)
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Gain de traitement et puissance disponible– Exemple SF ≈ 8– signal usager à débit + élevé
• ⇒ gain de traitement + faible.• ⇒ puissance d'émission + élevée.
– Exemple SF ≈ 4
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Utilisation des codes• Etalement de spectre à séquence directe.• UMTS : "Chip Rate" fixe de 3.84 Mcps.
– (un chip ≈ élément de code représentant un bit).• IS-95: chip rate fixe de 1.288 Mcps.• CDMA-2000: chip rate variable, multiple de celui utilisé dans IS-95.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Codes utilisés dans l'UTRAN• Deux types de codes:
– codes de channelisation OVSF.– codes de brouillage.
• OVSF : "orthogonal variable spreading factor" de type Walsh-Hadamard.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Codes de brouillage (1/2)• Limites des codes OVSF:
– pas des séquences pseudo-aléatoires : pas forcément d'étalement despectre.
– Orthogonalité seulement pour séquences alignées ⇒ difficulté liée à lanon-synchronisation des mobiles (uplink).
– ⇒ nécessité d'un 2ème type de codes : ceux de "brouillage".
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Codes de brouillage (2/2)• Principe d'allocation : downlink
– un code de channelisation par canal physique.– totalité de l'arbre OVSF disponible.– Un code de brouillage par cellule ⇒ codes de brouillage distinguent les cellules entre elles.– 512 codes disponibles ⇒ contrainte sur planification du réseau (cellules proches ⇒ codes
différents).
• Principe d'allocation : uplink– un code de channelisation par canal physique.– Totalité de l'arbre OVSF disponible.– Un code de brouillage par mobile ⇒ codes de brouillage distinguent les mobiles entre eux.– 224 codes disponibles ⇒ pas de contrainte sur planification entre mobiles.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Contrôle de puissance• Système CDMA:
– chaque usager du réseau est une source d'interférence pour lesautres.
– Ressource partagée : puissance d'émission.– Uplink: contrôle de puissance indispensable pour éviter les effets
proche-lointain.– Downlink: nécessaire pour limiter l'interférence entre cellules.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Structure des canaux physiques
• Recherche de cellule initiale:• décodage de 3 canaux successifs
– P-SCH primary synchronisation channel.– S-SCH secondary synchronisation channel.– CPICH common pilot channel.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Synchronisation slot et trame
• 1ère phase: synchronisation slot - décodage du P-SCH.• 2ème phase: synchronisation trame - décodage du S-SCH.• 3ème phase: recherche du code primaire de brouillage, cad décodage
du CPICH (suite de 10 symboles pilotes prédéfinis).
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Informations système
• Canal P-CCPCH: Primary common control physical channel.– Canal de transport BCH (⇔ canal balise BCCH en GSM).– Contient les informations système (identité réseau, cellule courante :
puissance max, structure canaux communs…, cellules voisines).– Paramètres de codage et d'étalement invariants (pas de contrôle de
puissance, SF 256, multiplexé en temps avec SCH).
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Transport de données (1/3)• DPCH : dedicated physical data channel - ressource dédiée à un
usager ⇒ un délai de transmission et un débit constant.
• 2 sous-canaux physiques :– DPDCH (dedicated physical data channel):
• données usager (voix, messages).• données de signalisation issues des couches supérieures.
– DPCCH (dedicated physical control channel)• données de contrôle spécifiques à la couche physique.• Bits pilotes.• Bits TPC (transmit power control).• Bits TFCI (transport format combination indicator).• Bits FBI (feedback information - uplink).
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Transport de données (2/3)• DPCH downlink:
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Transport de données (3/3)• DPCH uplink:
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Traitement de la couche physique : cas général (1/2)
canal composite ou CCtrCh
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Traitement de la couche physique : cas général (2/2)
canal composite ou CCtrCh
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Traitement de la couche physique : exemple phonie
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Récepteur : "RAKE receiver"
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Récepteur : "RAKE receiver"
[Source UT Dallas]
• Rotation du signal par le canal(phase et amplitude quelconque).
• symboles QPSK transportent desinformations en phase.
• énergie séparée sur plusieurs doigts⇒ recombinaison ("combining").
• Recombinaison corrige la rotationde phase due au canal, et utilise lesestimations d'amplitude du canalpour compenser les composantes.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Récepteur : "RAKE receiver"
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Récepteur : "RAKE receiver"• Récepteur RAKE doit disposer des informations:
– retards multi-trajets ⇒ synchronisation en temps et retard ("time-delay").– Phases des composantes multi-trajets ⇒ synchronisation de la phase porteuse.– Amplitudes des composantes multi-trajets ⇒ "amplitude tracking".– nombre de composantes multi-trajets ⇒ RAKE allocation.
• Synchronisation "time-delay" : basée sur les corrélations (technique "delaytracking" effectuée par des boucles feedback (PLL, DLL).
• Les PLL classiques ne peuvent pas être utilisées pour la recherche de phaseet d'amplitude de la porteuse (canaux de profil "fading").
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
• En pratique, les fonctionnalités suivantes sont nécessaires pour lasynchronisation du RAKE:
– Boucle AGC ou "Automatic Gain Control" (pour conserver la gammedynamique du convertisseur A/D).
– Boucle AFC ou "Automatic Frequency Control" (pour conserver le décalage del'oscillateur local).
– Acquisition et scan de la réponse impulsionnelle du canal (pour effectuerl'allocation des "doigts" du récepteur RAKE).
– "Channel Delay tracking" (pour ajuster les composantes multi-trajets).
Récepteur : "RAKE receiver" - implémentation
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Récepteur : "RAKE receiver" - implémentation• Fonctionnement linéaire et à large gamme dynamique pour les composantes
RF et IF.– (large bande de 5MHz et interférences propres au système CDMA).
• Boucle AGC doit être rapide et précise, afin de préserver le récepteur dansune gamme linéaire.
• Convertisseurs AD rapides et à haute résolution.– (fréquences d'échantillonnage élevées (x10 MHz) et dynamiques élevées
(jusqu'à 80dB).• Cœur des récepteurs à étalement de spectre : corrélateurs.
– RAKE requiert 4 corrélateurs pour désétalement et 8 corrélateurs pour lacorrection de retard.
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]