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Cours Codage avanc pour les systmes de communications mobiles CDMA,OFDM, OFDMA, WCDMA

Chapitre 0 Introduction et Motivation (4 h)0-1) Rappels sur les principes de transmission (chaine de transmission, modulation, ) 0-2) Le partage de ressources 0-3) Le Multiplexage 0-4) Les techniques daccs 0-5) Vue densemble dun systme de communication 0-6) Application

Chapitre 1 : Media de transport (6 heures)1-1) Cest quoi un mdia de transport 1-2) Le canal de propagation 1-3) Path loss 1-4) Mcanismes de propagation 1-5) Evanouissement 1-6) Rception Multi trajets et diffusion (Multipath 1-7) Statistiques sur les effets de propagation 1-8) Exercices

Chapitre 2 Transmission CDMA2-1) Introduction (la philosophie du CDMA) 2-2) CDMA cest quoi? 2-3) Etalement de spectre 2-4) Le principe en D.S.S.S 2-5) Le principe de saut de frquence 2-6) Principe de laccs multiple avec codes 2-7) Bruit, interfrences 2-8) Nombre dutilisateurs sur la mme bande 2-9) Gnration de codes 2-10) Diffrents types de multiplexage 2-11) CDMA : mission 2-12) CDMA : rception 2-13) CDMA : famille des codes orthogonaux (OVSF) 2-13) Les avantage du CDMA 2-14) Simulation dun systme CDMA

Chapitre 3 CDMA 2000 (??? 6 heures)3-1) CDMA 2000 cest quoi? 3-2) volution du CDMA2000/Versions CDMA 3-3) Avantages CDMA2000 3-4) Architecture du rseau CDMA2000 3-5) Canaux logiques CDMA2000 3-6) Transition partir de systmes cdmaOne 3-7) Comparaison CDMA2000/W-CDMA

Chapitre 4 OFDM (6 heures)4-1) OFDM cest quoi? 4-2) Rappel sur les Canaux slectifs 4-3) Modulations Multi-porteuses 4-4) Principes gnraux 4-5) Aspects pratiques 4-6) Les stratgies de transmission 4-8) COFDM 4-8) Simulation dun systme OFDM

Chapitre 5 Introduction aux systmes ULB (6 heures)5-1) 5-2) 5-3) 5-4) 5-5) 5-6) 5-7) Cest quoi lULB Signaux ULB Analyse spectrale des impulsions ULB Modulation ULB Analyse Spectrale des signaux ULB moduls chaine de transmission ULB Simulation dun metteur ULB

Les systmes de communication Sans fils au quotidienGSM 900 MHz DCS 1800 MHz UMTS 2 GHz Analogique 800 MHz DECT ~1900 MHz Radar anticollision ~80 GHz Tlpage ~6 GHz Ouverture distance 433 MHz

Wifi / Bluetooth / UWB 2.4 6 GHz

TV terrestre 500 MHz Systmes satellites 1 45 GHz (Ex : Tlvision 12 GHz, GPS 1.5 GHz)

Problme principal : lnergie3 MHz 100m 30 MHz 10m 300 MHz 1m 3 GHz 10 cm 30 GHz 1 cm Radars mto Radars militaires Satellites 300 GHz 1 mm

120 dBm 100 80 60 40 20 0Amateurs GSM Amateurs DECT TV VHF TFTS

1GW 1MW

TV UHF Four Tl page

1KW 1W 1mW

La chane de transmission radioPartie mission :signal utile BB Cod Mod duplexeur ampli antenne

synth fo

Partie rception :antenne duplex ampli LNA synth fi Dmod ampli Dcod signal utile

Notion de canal radioLa chane de transmission radio :metteur rcepteur

num/analog

analog/num

Propagation guide

Propagation espace libre

Propagation guide

canal radio Les botiers contenant llectronique sont relis aux antennes via des lignes ou cbles (feeders). Dun point de vue traitement du signal, lensemble des dformations de londe engendres par la propagation guide+libre forme le canal radio.

O se perd lnergie ?attnuation, dispersion

Milieu de propagation

attnuation, dispersion

bruit des composants

bruit des composants

dsadaptation

dsadaptation

Rflexions, diffractions, trajets multiples, obstacles, diffusion, vanouissement, conditions mtos... Et tous ces paramtres varient en fonction de la frquence, du temps et mme de la polarisation de londe.

1 - IntroductionAgenda 1. Structure gnrale dune chane de transmission 2. Transmission en bande de base 3. Pourquoi moduler ? 4. Modulation 5. Exemples

1. Structure gnrale d une chane de transmission

On peut distinguer deux types dinformation, conduisant deux structures gnrales de systmes de transmission information analogique information numrique


A) Information analogique

Source Transducteur

Emetteur Canal

Dest. Transducteur

Rcepteur



Source TransducteurSon Lumire Temprature Vitesse Acclration Dplacement Force Dest. Transducteur ...

Emetteur Canal

Rcepteur



Source Transducteur

Emetteur Canal

Dest.

Microphone Photodiode Capteur CCD Thermocouple Capteur pizo Potentiomtre TransducteurJauge de cont. Rcepteur ...



Source Transducteur

EmetteurPr-ampli. (C. Anal.Num.) (codage) (modulation) (filtrage) Amplification Rcepteur (de puissance)

Canal

Dest. Transducteur



Source Transducteur

EmetteurLigne bifilaire cble coaxial fibre optique guide d ondes espace libre ionosphre canal sousRcepteur marin

Canal

Dest. Transducteur



Source Transducteur

Ampli. rception filtrage Emetteur (dmodulation) (dcodage) (C. Num.-Anal) Amplification (de puissance)

Canal

Dest. Transducteur

Rcepteur



Source Transducteur

Dest. Transducteur

Haut-parleur Visualisation Asservissement Commande de procd Calcul ...

Emetteur Canal

Rcepteur


B) Information numrique

ETTD

ETCD

ETCD

ETTD


B) Information numrique Terminaux informatiques (ou autres)

ETTD

ETCD

ETCD

ETTD


B) Information numrique Equipements Terminaux de Traitement des Donnes

ETTD

ETCD

ETCD

ETTD

Contrleur de communications Source/collecteur de donnes


B) Information numrique Equipements de Terminaison de Circuit de Donnes = Modem

ETTD

ETCD

ETCD

ETTD


B) Information numrique Interfaces numriques

ETTD

ETCD

ETCD

ETTD


B) Information numrique Interfaces analogiques

ETTD

ETCD

ETCD

ETTD


B) Information numrique Ligne de transmission

ETTD

ETCD

ETCD

ETTD

2. Transmission en bande de base

Dfinition : On appelle transmission en bande de base une transmission sans modification pralable du spectre du signal au niveau de lmetteur. Exemples : Signal analogique Signal numrique




Avantages de la TBB : metteurs et rcepteurs simples Possibilit de multiplexage temporel

3. Pourquoi moduler ?

Inconvnients de la TBB : Sensibilit aux parasites Transmission par cble ou fibre optique --> cot lev Impossibilit de partage direct dun mme canal par plusieurs sources

3. Pourquoi moduler ?

Inconvnients de la TBB : Impossibilit de transmission lair libre pour signaux BF

fmin Son20 Hz P = 15000 km 20 Hz

fmax20 kHz P = 15 km 5 MHz P = 60 m

Vido

P = 15000 km

3. Modulation

Dfinition : On appelle transmission en bande transpose ou modulation une transmission avec modification pralable du spectre du signal transmettre. La modulation utilise gnralement 2 signaux : le message analogique ou numrique, appel signal modulant ou message (BF) un signal de porteuse ou d chantillonnage (HF)

3. Modulation

La modulation peut tre : soit une transposition plus ou moins directe du spectre du message vers les HF (modul. d amplitude, de frquence) soit une modification radicale du signal lui-mme et utilisant des moyens numriques, notamment lchantillonnage (modulation par impulsions), soit une combinaison des deux techniques prcdentes Band Code Division Multiple Access - W-CDMA) (Wide

3. Modulation

Avantages de la modulation : Adaptation du signal modul aux caractristiques frquentielles du canal de transmission Rayonnement possible dans une antenne Transmission possible longue distance (ex: satellites) Moindre sensibilit au bruit et parasites externes Transmissions simultanes : possibilit de multiplexage frquentiel

3. Modulation

Avantages de la modulation : Homognit des quipements (antennes) fmin = 495 MHz Pmax = 60.6 cm (f / f fmax = 505 MHz Pmin = 59.4 cm

faible : 10 / 500 = 2%

3. Modulation

Avantages de la modulation : Transmissions simultanes : possibilit de multiplexage frquentiel Amplitude

f Spectre damplitude dun message en bande de base

3. Modulation

f

-f1

f1

f

f

...-f2 -f1 f1 f2

...f

3. Modulation

Inconvnients de la modulation : Systmes plus complexes : risque daugmentation de la dgradation du signal due aux quipements Bande de frquences lmission plus importante que celle du message

3. Modulation

Modulations analogiques (analog modulation) Modulations par saut (shift keying modulation) Modulations par Impulsions et Codage - MIC (Pulse Code Modulation - PCM)

3. Exemple Modulation

Modulations analogiques


Modulations par saut


Modulations par impulsions


Classification des modulations PORTEUSE continue (sinusodale)

impulsions


Classification des modulations PORTEUSE continue (sinusodale) MESSAGE analogique (continu)

impulsions

discret (numrique)


Classification des modulations PORTEUSE continue (sinusodale) AM - FM - PM MESSAGE analogique (continu)

impulsions

discret (numrique)


Classification des modulations PORTEUSE continue (sinusodale) ASK FSK PSK impulsions discret (numrique) MESSAGE analogique (continu)


Classification des modulations PORTEUSE continue (sinusodale) PPM PAM impulsions discret (numrique) MESSAGE analogique (continu)


Classification des modulations PORTEUSE continue (sinusodale) MESSAGE analogique (continu)

impulsions

PCM - W-CDMA

discret (numrique)

Exemple de Modulations en Pratique Modulations analogique AM FM ...

Modulations numrique FSK GMSK

Modulation AMFs = 8000; % Sampling rate is 8000 samples per second. Fc = 300; % Carrier frequency in Hz t = [0:.1*Fs]'/Fs; % Sampling times for .1 second x = sin(20*pi*t); % Representation of the signal y = ammod(x,Fc,Fs); % Modulate x to produce y. figure;subplot(2,1,1); plot(t,x); % Plot x on top. subplot(2,1,2); plot(t,y)% Plot y below.

Modulation AMPour deux signaux sur deux canaux diffrents Fs = 8000; % Sampling rate is 8000 samples per second. t = [0:.1*Fs]'/Fs; % Sampling times for .1 second x = [sin(20*pi*t) sin(20*pi*t+pi/8)]; %

Modulation et dmodulation% Prepare to sample a signal for two seconds, % at a rate of 100 samples per second. Fs = 100; % Sampling rate t = [0:2*Fs+1]'/Fs; % Time points for sampling % Create the signal, a sum of sinusoids. x = sin(2*pi*t) + sin(4*pi*t); Fc = 10; % Carrier frequency in modulation phasedev = pi/2; % Phase deviation for phase modulation y = pmmod(x,Fc,Fs,phasedev); % Modulate. y = awgn(y,10,'measured',103); % Add noise. z = pmdemod(y,Fc,Fs,phasedev); % Demodulate. % Plot the original and recovered signals. figure; plot(t,x,'k-',t,z,'g-'); legend('Original signal','Recovered signal');

Modulation et dmodulation% Prepare to sample a signal for two seconds, % at a rate of 100 samples per second. Fs = 100; % Sampling rate t = [0:2*Fs+1]'/Fs; % Time points for sampling % Create the signal, a sum of sinusoids. 2 x = sin(2*pi*t) + sin(4*pi*t); Fc = 10; % Carrier frequency in modulation 1.5 phasedev = pi/2; % Phase deviation for phase modulation 1 y = ammod(x,Fc,Fs,phasedev); % Modulate. y = awgn(y,10,'measured',103); % Add0.5 noise. z = amdemod(y,Fc,Fs,phasedev); % Demodulate. 0 % Plot the original and recovered signals. figure; -0.5 plot(t,x,'k-',t,z,'g-'); -1 legend('Original signal','Recovered signal');-1.5 -2

O riginal signal R ecovered signal

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Modulation AM seconds. / BLU DBL % Sample the signal 100 times per second, for 2Fs = 100; t = [0:2*Fs+1]'/Fs; Fc = 10; % Carrier frequency x = sin(2*pi*t); % Sinusoidal signal % Modulate x using single- and double-sideband AM. ydouble = ammod(x,Fc,Fs); ysingle = ssbmod(x,Fc,Fs); % Compute spectra of both modulated signals. zdouble = fft(ydouble); zdouble = abs(zdouble(1:length(zdouble)/2+1)); frqdouble = [0:length(zdouble)-1]*Fs/length(zdouble)/2; zsingle = fft(ysingle); zsingle = abs(zsingle(1:length(zsingle)/2+1)); frqsingle = [0:length(zsingle)-1]*Fs/length(zsingle)/2; % Plot spectra of both modulated signals. figure; subplot(2,1,1); plot(frqdouble,zdouble); title('Spectrum of double-sideband signal'); subplot(2,1,2); plot(frqsingle,zsingle); title('Spectrum of single-sideband signal');

Modulations NumriquesPour le reprsentation des signaux numrique en utilise des ensemble dlments finie. Exemple de signaux Des matrices ou des vecteurs[2 3 7 1 0 5 5 2 6]'

[2 3; 3 3; 7 3;0 3;]

Exemples de modulation num% Create a random digital message M = 16; % Alphabet size x = randint(5000,1,M); % Message signal % Use 16-QAM modulation. y = qammod(x,M); % Transmit signal through an AWGN channel. ynoisy = awgn(y,15,'measured'); % Create scatter plot from noisy data. scatterplot(ynoisy); % Demodulate to recover the message. z = qamdemod(ynoisy,M); % Check symbol error rate. [num,rt]= symerr(x,z)

Exemples de modulation numCombinaison de la modulation avec un filter de formeM = 16; % Alphabet size x = randint(5000,1,M); % Message signal Nsamp = 4; % Oversampling rate % Use 16-QAM modulation. y = qammod(x,M); % Follow with rectangular pulse shaping. ypulse = rectpulse(y,Nsamp); % Transmit signal through an AWGN channel. ynoisy = awgn(ypulse,15,'measured'); % Downsample at the receiver. ydownsamp = intdump(ynoisy,Nsamp); % Demodulate to recover the message. z = qamdemod(ydownsamp,M); % Check symbol error rate. [num,rt]= symerr(x,z)

0-2 Partage de ressources Interface Radio

Multiplexage FDDFrequency Division Duplexing (FDD) Utilise deux bandes de frquence diffrentes FDD utilise un filtre passe bande pour sparer les chemins TX/RX, permettant une transmission et une rception simultanes La bande TX doit tre translater de la bande RX quelques KHz FDD utilise quelques systmes RF pour sparer les signaux reus de ceux transmis

Points faibles de la FDD: Une fuite spectrale des canaux adjacents dans sortie l'metteur aura lieu lorsque l'amplificateur de puissance est active et dsactive pour conomiser de l'nergie Attnuation trs importante (typiquement 2-3 dB) par rapport la technique TDD (1 dB); elle augmente et attnuer le signal transmis

Multiplexage FDDSchma de fonctionnement Schma de fonctionnement

Multiplexage TDDLa bande est utilise par lmission et la rception TDD utilise un Switch pour sparer les canaux TX/RX Le Tx ne sinterfrer pas avec le Rx parce que le Tx est dsactive pendent que le Rx active et vice versa Permet une directe communication entre deux Tx/Rx ce qui utile pour une communication courte distance Application LaN

Points faibles de la FDD: Les signaux forts gnrs par l'ensemble des metteurs prs de la bande de rcepteur dsensibilise le rcepteur

Multiplexage TDDSchma de fonctionnement

Lobjectif du multiplexage

Lobjet du multiplexage est la transmission de plusieurs communications sur un mme canal (Figure en bas). Il existe plusieurs mthodes. CDMA (Code Division Multiple Access). Ce qui a motiv le choix de CDMA est le fait que cette technologie est actuellement la plus en vogue car elle possde certains avantages.

Diffrents types de multiplexage Le TDMA (Time Division Multiple Access) ou multiplexage temporel utilise le fait que la frquence denvoi des bits dinformation est plus faible que la capacit du rseau (figure en bas). On peut donc profiter des temps morts pour transmettre une deuxime communication.

Dans le cas du schma ci-dessus, on peut transmettre jusqu 8 communications la fois (figure en bas ). A la rception, il suffit dutiliser un commutateur qui passe dun utilisateur au suivant tous les Tc.

Multiplexage frquentiel : FDMA

Le FDMA (Frequency Division Multiple Access) consiste diviser la bande passante du canal en K (nombre dutilisateurs) bandes de frquences dintersection nulle. Cette mthode est illustre figure en bas. Il faut donc translater les diffrents utilisateurs sur ces bandes de frquences.

Supposons que la bande de frquence occupe par un utilisateur seul soit [0,F]. On peut pour simplifier considrer un signal du type si = Ai cos(2 fit), avec fi> du temps dtalement. Complexit faible par rapport aux CDMA/TDMA (contrl simple) Allocation du canal la demande des utilisateurs Exemples : AMPS (FDMA/FDD), CT2 (cordless phone) FDMA/TDD, DECT (European cordless) FDMA/TDD Par exemple, AMPS utilise des canaux de 30 kHz

Caractristiques FDMAchaque canal conduit un circuit tlphonique en un temps bien dterminer Le nombre de canaux simultans supporter par un systme FDMA

La bande totale La bande de chaque canal

La bande de garde

Exemple :

TDMA en pratiqueUne Trame constitue de m slots du temps La transmission dun utilisateur nest pas continue : la nature numrique du signal TDMA/FDD differentes porteuses pour uplink/downlink Different TDMA wireless standards have different frame structures Non-continuous transmission helps handoff procedures Even in TDMA/FDD different time slots are used for transmission and reception to avoid use of duplexer

TDMA en PratiqueSuppose an operator is allotted 5 MHz of spectrum for the up-link and 5 MHz for the down-link. One carrier supports one eight-slot time frame and we will see later that, in the GSM system, this requires a channel occupancy of 200 kHz. By using five carriers contiguously spaced in frequency by 200 kHz, we can have five TDMA carriers per MHz, corresponding to 40 channels. For the 5 MHz band we have 24 carriers (allowing for a guard band), and it is these carriers that are deployed in our cellular structure.

TDMA en Pratique

TDMA en pratiqueLe nombre total de canaux (channel slots ) est

Caractristiques TDMAEfficacit de la technique TDMA mesure le % of des donnes qui contiennent de la information Overhead time

Efficacit

Nombre de bits total par trame

Caractristiques TDMAExemple: dans le GSM, une trame contient 8 slots temps et chaque slot temps contient 15,625 bits et un dbit de donnes de 270.833 kbps

Caractristiques TDMA

Etude de cas GSM

1. Introduction

Linterface radio est lune des parties les plus sophistiques du systme; nous allons prsenter les caractristiques de base de cette interface (mthode daccs et technique de transmission) et de montrer les diffrents traitements que subit le signal utilisateur lors dune communication.

2. Partage des ressources radio

Un systme radio-mobile a besoin dune partie du spectre radio pour fonctionner. Les concepteurs doivent donc demander une bande de frquence auprs de linstance officielle charge de la gestion du spectre. Pour un systme prtention internationale, la bande est alloue au niveau de lUIT (Union Internationale des Tlcommunications).

2. Partage des ressources radio La bande ddie au systme GSM est de : 890 915 MHz pour la voie montante : 935 960 MHz pour la voie descendante Soit 225 MHz; les bandes de frquence alloues son extension DCS sont de : 1710 1785 MHz pour la voie montante 1805 1880 MHz pour la voie descendante Soit 275 MHz.

2. Partage des ressources radio

La bande radio reprsentant une ressource rare, les dfendeurs de la norme doivent lutiliser bon escient et avec contrle. Le premier choix architectural a donc t de dcouper le spectre allou pour obtenir des canaux physiques qui supporteront une communication tlphonique.

3. Partage en frquence (FDMA)

Chacune des bandes ddies au systme GSM est divise en 124 canaux frquentiels d'une largeur de 200 kHz. Sur une bande de frquence sont mis des signaux moduls autour dune frquence porteuse qui sige au centre de la bande. Les frquences sont alloues dune manire fixe aux diffrentes BTS et sont dsignes souvent par le terme de "porteuses", de plus, il faut veiller ce que deux BTS voisines nutilisent pas des porteuses identiques ou proches.

4. Partage en temps (TDMA)

Principe Chaque porteuse est divise en intervalles de temps appels slots. La dure lmentaire dun slot a t fixe pour la norme GSM sur une horloge 13 MHz et vaut: Tslot = (75/130)10-3s soit environ 0.5769 ms. Un slot accueille un lment de signal radiolectrique appel burst.

4. Partage en temps (TDMA) Laccs TDMA permet diffrents utilisateurs partager une bande de frquence donne. de

Sur une mme porteuse, les slots sont regroups par paquets de 8. La dure dune trame TDMA est donc: TTDMA = 8Tslot =4.6152 ms. Chaque usager utilise un slot par trame TDMA. Les slots sont numrots par un indice TN qui varie de 0 7. Un canal physique est donc constitu par la rptition priodique dun slot dans la trame TDMA sur une frquence particulire.Canal plein dbit

4. Partage en temps (TDMA)

Les concepteurs de GSM ont prvus la possibilit de nallouer un utilisateur quun slot toutes les 2 trames TDMA. Cette allocation constitue un canal physique demi-dbit par opposition au canal plein dbit dfini prcdemment.

5. Implantation du saut de frquence

Loption du saut de frquence lent (SFH) semble tre intressante pour augmenter la capacit du systme GSM. Le saut de frquence permet de lutter contre les vanouissements slectifs, cest--dire une diminution momentane de la puissance de londe radiolectrique lors de la rception, grce la diversit en frquences. Habituellement le saut est activ lorsque la charge du rseau devient importante, il doit alors apporter un accroissement notable des performances.

5. Implantation du saut de frquence Lorsque le saut de frquence lent est activ, un canal physique ne sige pas sur une seule frquence mais utilise un ensemble de porteuses.

6. Duplexage Sparation des bandes

Dans le systme GSM le duplexage se fait en frquence. La bande totale alloue au systme est divise en deux sous-bandes dgale importance; lintervalle frquentiel qui les spare nest pas attribu au systme. Ce partage entre les bandes montantes (mobile vers rseau) et les bandes descendantes (rseau vers mobile) facilite le filtrage et la sparation des voies. Dans GSM lcart duplex vaut DWduplex=45 MHz, et dans le cas de DCS1800 il vaut DWduplex=95 MHz.

7. Canal physique duplex

Un canal simplex se rapporte un slot par trame TDMA sur une porteuse (en labsence de saut de frquence). Un canal physique duplex correspond deux canaux simplex. Si la porteuse supportant la voie descendante est fd , la voie montante est sur la frquence fu: fu = fd DWduplex Un canal physique correspond la ressource radio quil faut utiliser pour supporter une communication tlphonique.

7. Canal physique duplex

Dans le systme GSM un mobile met et reoit des instants diffrents. Au niveau du mobile, lmission et la rception sont dcales dans le temps dune dure de trois slots, mais pour conserver la mme numrotation Tn de 0 7 de slots, la synchronisation de la trame TDMA montante est aussi dcale de 3Tslot.

7. Canal physique duplex Ce dcalage permet de simplifier le filtre duplex prsent dans chaque mobile. Son rle se rduit rejeter le signal provenant dune ventuelle autre BTS mettant pendant une phase de rception du mobile.

8. Format du burst Le format dun burst normal est donn par cette figure, cest le type le plus couramment utilis, il permet de transmettre 114 bits. On remarque quil y a une priode de garde de 30.5 s correspondant la diffrence de dure entre un burst et un slot, ce dlai sert compenser les temps de transmission entre le mobile et la station de base.

8. Chane de transmissionCas de la parole La chane de transmission qui correspond la transmission du signal de la parole est dcrite par la figure suivante:

8. Chane de transmissionCas de la parole

Daprs la thorie des tlcommunications, la transmission dune source dinformation sur un canal doit mettre en uvre un codage de source (compressif) et un codage de canal (protecteur) efficaces. Les techniques cryptographiques permettent dassurer un service de confidentialit sur un canal de transmission diffusant o des coutes indiscrtes peuvent tre entreprises.

9. Transmission de la parole paqutiseCas de la parole

On peut prsenter dune faon synoptique les diffrents traitements que subit une trame de 20 ms de parole :


Le signal analogique de parole, dans le cas du signal tlphonique ordinaire, peut tre vu comme une fonction du temps x (t) avec un spectre limit la bande [300 Hz , 3400 Hz]. Il est dcoup en intervalles jointifs de dure 20 ms. Chaque intervalle est numris, comprim (par le codec de parole), protg pour aboutir une trame code, appele bloc, de 456 bits. Le codage seffectue paquet par paquet et cette paquetisation introduit un dlai de 20 ms. En effet pour traiter un morceau de 20 ms il faut lavoir reu compltement.


Une fois obtenu le bloc de parole numris, comprim et protg, il faut le transmettre. Pour cela on a recours lentrelacement. On peut prendre lexemple des 456 bits de la trame code de la parole : ces bits sont brasss et diviss en I groupes o I reprsente le degr dentrelacement. Ici, I vaut 8 on va donc transmettre les 456 bits en 578 bits. Ces huit demi-burst sont numrots de 0 7. Chaque sous-bloc est associ avec un sous-bloc de la trame de parole prcdente (pour les sous-blocs 0, 1, 2 et 3) ou de la trame suivante (pour les sous-blocs 4, 5, 6 et 7).

9. Canaux logiques Linterface radio est le maillon faible de la chane transmission. Il faut prvoir un certain nombre de fonctions de contrle de nature varie pour que le mobile se rattache une station de base favorable, pour tablir une communication, pour surveiller son droulement et assurer des commutations de cellules en cours de communication. Ces autres fonctions engendrent des transferts de donnes: informations systme, relevs de mesures, messages de contrles. Plusieurs canaux logiques ont t dfinis pour les diffrents types de fonction.

9. Canaux logiques Linterface radio permet doffrir un certain nombre de tuyaux numriques:

5. Les canaux de contrle logiques

Sur une paire de frquence, un slot parmi 8 est allou une communication avec un mobile donn. Cette paire de slots forme un canal physique duplex. Ce dernier forme la base de deux canaux logiques ; dabord le TCH (Trafic CHannel) qui porte la voie numrise, mais aussi un petit canal de contrle, le SACCH ( Slow Associated Control Channel) qui permet principalement le contrle des paramtres physiques de la liaison.

5. Les canaux de contrle logiques

Dune manire plus gnrale, il faut prvoir multitude de fonctions de contrle, en particulier :

une

diffuser des informations systme (cf. Broadcoast Control CHannels) prvenir les mobiles des appels rentrant et faciliter leur accs au systme (cf. Common Control Channel) contrler les paramtres physiques avant et pendant les phases actives de transmission (cf. FACCH, SCH et SACCH) fournir des supports pour la transmission de signalisation tlphonique (cf. SDCCH).

Une sance pour les canaux logiques

Exercices1) Le rle dune filtre de mise en forme 2) Rappeler les avantages de la technique FDD 3) Cest quoi un canal physique 4) Cest quoi Canal plein dbit 5) Le nombre de canaux simultans supporter par un systme FDMA 6) Le nombre de canaux simultans supporter par un systme TDMA

Chapitre 2 CDMA2-1) Introduction (la philosophie du CDMA) 2-2) CDMA cest quoi? 2-3) Etalement de spectre 2-4) Le principe en D.S.S.S 2-5) Le principe de saut de frquence 2-6) Principe de laccs multiple avec codes 2-7) Bruit, interfrences 2-8) Nombre dutilisateurs sur la mme bande 2-9) Gnration de codes 2-10) Diffrents types de multiplexage 2-11) CDMA : mission 2-12) CDMA : rception 2-13) CDMA : famille des codes orthogonaux (OVSF) 2-13) Les avantage du CDMA 2-14) Simulation dun systme CDMA

Principe de laccs multiple avec codes

Il existe plusieurs variantes : on dcrit ci-dessous ltalement par squence directe (Direct Sequence Spread Spectrum). Le message A de lmetteur A, reprsente par une squence de +1, -1 traduisant la squence de bits 1 et 0 logiques, est multipli par un code : une squence de +1 et 1 (les chips ) judicieusement choisie, et dont les transitions sont m fois plus frquentes. Idem pour un metteur du message B: message multipli par un code B. Les squences produits A*CA et B*CB sont ajoutes et transmises. A la rception, le destinataire du message A multiplie la squence reue par le code CA, idem pour le destinataire du message B.


Si les codes sont bien choisis, sur la dure dun bit, (donc de m chips), la moyenne de CA.CA et de CB.CB est gale m/2, tandis que CA.CB a une moyenne nulle : Les codes CA et CB sont dits orthogonaux (Somme des produits des lments correspondants [=produit scalaire]=0).


Principe de laccs multiple avec codesRemarques : La squence somme est transmise sur trois niveaux damplitudes avec deux metteurs. quatre avec trois metteurs etc. La moyenne sur chaque dure dun bit est nulle. Lorsque que le nombre dmetteurs est plus important, la distribution des amplitudes sapparente une distribution Gaussienne (comme le bruit Gaussien). En rception les signaux sur chaque dure dun bit de message ont une moyenne non nulle, ce qui permet la reconstitution du signal par simple filtre passe bas. On prfre en fait mesurer la corrlation :

la somme des produits code*signal reu sur la dure dun bit.


Les codes sont choisis tels que leur produit scalaire CA.CB soit nul et CA.CA soit maximum (codes orthogonaux = produit scalaire nul). On rappelle quun produit scalaire est la somme des produits des composantes correspondantes : u1v1 + u2v2 pour deux vecteurs U et V de composantes u1, u2 et v1, v2 . Cette notion de produit scalaire nest pas limite aux vecteurs dans le plan, mais est gnrale. Le code est ici un vecteur dont les composantes sont les chips.


Si lon effectue une moyenne non pas sur les chips dune priode mais cheval, les moyennes seront globalement plus faibles => ceci permet de synchroniser la rception pour certains systmes, en recherchant la position o lon obtient (en valeur absolue) un maximum. Les codes sont dans ce cas choisis tels que le produit scalaire dun code par lui-mme dcal soit pratiquement nul. Ltalement ne doit pas tre confondu avec le brouillage (scrambling) o les bits de message sont multiplis (si 1,+1) ou XORs (1,0) avec un code alatoire raison dun pour un.

Bruit, interfrences.

Si une interfrence (une perturbation en bande troite) est ajoute sur le canal entre lmetteur et le rcepteur, il sera au niveau du rcepteur multipli par le code, donc 'tal', sa densit spectrale sera diminue dans le rapport dtalement ( gain de codage ), et passera inaperu ! En revanche, si le bruit est en bande large tel que le bruit blanc gaussien, plus la bande est large plus la puissance du bruit est importante (densit spectrale constante). Le bruit blanc gaussien est une fonction dont les composantes frquentielles ont la mme amplitude (au sens transforme de Fourier), tandis que lamplitude de la fonction elle-mme chaque instant est distribue selon une loi Normale (cloche de Gauss).

Nombre dutilisateurs sur la mme bande :

Capacit maximale en bps: C < W*(S/N)/0.69 [puisque log2(1+S/N)*0.69=ln (1+S/N) No= Eb*C*(M-1) donc S/N = 1/(M-1)~1/M ou 1/M = Eb/No*C/W =>Limite de Shannon : Eb/No > 0.69 (= -1.59 dB) ou S/N>0,69*C/W Le nombre dutilisateurs est M = Gp/(Eb/No)= Gp/0,69 o Gp = facteur dtalement = gain de codage = W/C(?). En pratique en tlphonie mobile, Eb/No limite est considr ~ 6dB. Et lon tient compte aussi linterfrence des cellules voisines b(~60%), de lactivit vocale u (~50, la prcision du contrle de puissance a (~0.8) et le gain du la sectorisation l(~2,5) Donc M = Gp/(Eb/No) *1/(1+b) *1/u *a *l

Gnration de codes:

Les squences pseudo-alatoires constitus de +1, -1 (nots aussi 1, 0 selon l'approche) sont gnres par matriel ou logiciel. Ces codes doivent respecter diffrentes proprits : Equilibre (balance) des 0s ( ou 1) selon la notation et 1s

Multiplexage cod : CDMA Le CDMA appartient la classe des multiplexages dits talement de spectre. En effet, comme nous allons le voir, chaque utilisateur met sur toute la largeur de bande du canal de communication. Le principe est le suivant : chaque utilisateur correspond une cl (ou code) laide de laquelle son message est cod avant dtre mis. Il existe deux principales varits de CDMA : FH-CDMA (Frequency Hop) : Dans ce systme, on fait de lvasion de frquence : la cl de chaque utilisateur code pour une suite de frquences qui feront alternativement office de porteuse. Ce systme ressemble un multiplexage frquentiel dans lequel lattribution des frquences varierait rapidement (par rapport au dbit dinformations transmettre). DS-CDMA (Direct Sequence) : Cest ce type de CDMA quon fait gnralement rfrence quand on parle de CDMA, et cest celui que nous avons tudi aussi bien thoriquement quexprimentalement. Ici, on multiplie directement le message transmettre par une le code (squence pseudo-alatoire). Ltalement spectral du signal

CDMA : mission

Comme toujours en communication, on commence par la transmission du signal. On se place dans la situation suivante : K utilisateurs souhaitent transmettre des informations via un mme cble. Chaque information est modlise par une suite de +/-1 : 1 : bk = [bk(1), , bk(N)]. On dsigne par k le kme utilisateur.

CDMA : mission On couple alors tous les utilisateurs et le signal mis devient :

reprsente le dlai de transmission pour lutilisateur k.

Opration de multiplexage

CDMA : mission

On considre pour la suite (afin dallger les notations) que lon normalise les gk :

On dfinit la fonction

qui permet de dterminer une corrlation entre les codes gk

On multiplexe les informations en les combinant chacune avec un vecteur gk. Ainsi, le paquet de bits de longueur N : bk=[bk(1), , bk(N)]t, devient :

CDMA : rception

On tudie maintenant la faon de traiter le signal reu afin de dcoupler des informations transmises. On tudie dabord le cas dune transmission parfaite avant dtudier les mthodes permettant traits les signaux bruits. Transmission idale On suppose que la transmission sest effectue sans ajout de bruit, donc le signal reu est de la forme:

On suppose galement que les codes choisis sont orthogonaux. Dans ce cas, si les signaux sont synchrones, il suffit de faire K produits scalaires pour obtenir les K informations de dpart :

CDMA : rception Transmission idale or, on ne regarde que le bit i alors :

les codes tant orthogonaux :

On peut donc ainsi rcuprer les informations de chaque utilisateur sparment. Si maintenant les signaux ne sont pas synchrones, il faut transmettre un moment les { k} (dphasage entre les utilisateurs). Ensuite, on dtermine :

CDMA : rception Le rcepteur optimal Le signal reu est susceptible dtre bruit. On modlise ce bruit par du AWGN (Additional White Gaussian Noise), not

n(t). On a maintenant

Dune manire gnrale, en prsence de bruit ou quand les codes ne sont pas orthogonaux, on aborde le problme de la manire suivante. On dfinit la fonction :

On cherche alors la suite son expression, on obtient :

qui minimise

(b). Si on dveloppe

CDMA : rception Le rcepteur optimal

Le premier terme, tant indpendant de b, ne joue pas de rle dans la minimisation de : on peut donc le ngliger. Si on pose alors on obtient une nouvelle fonction minimiser :

ou, sous une autre forme

CDMA : rception Le rcepteur optimal

Conclusion :

Il apparat donc, que pour pouvoir dterminer la bonne suite bK, il faut transmettre au rcepteur la valeur des nergies des signaux mis par chaque utilisateur. Ensuite, le rcepteur recherche parmi les 2K squences possibles, celle qui correspond le mieux au signal, cest--dire, celle qui minimise C(rk, bk). K tant le nombre total dutilisateurs, on comprend quil soit impossible dutiliser ce type de rcepteur pour un rseau de taille normal.

De plus, lorsque la transmission est asynchrone, le rcepteur optimal doit raliser 2KN tests de corrlation (N est la longueur des codes). Il est donc indispensable dutiliser des rcepteurs non-optimaux mais bien plus rapides.

CDMA : rception Les rcepteurs non optimaux Le dtecteur conventionnel, mono-utilisateur Le rcepteur optimal a une complexit qui crot exponentiellement avec le nombre dutilisateurs K. On cherche maintenant dterminer des rcepteurs dont la complexit crot linairement avec K. Le dtecteur le plus simple est celui que nous avons utilis dans le cas de la transmission idale . Il sagit donc de faire des produits scalaires. On pose Alors

On trouve que si les codes sont orthogonaux, alors le terme central devient nul et ce dtecteur est optimal. Par contre, si ce nest pas le cas, les interfrences avec les autres utilisateurs peuvent ne pas tre ngligeables. Ceci est dautant plus vrai que les nergies sont assez diffrentes : les signaux peu puissants risquent dtre mal dcods.

CDMA : rception Les rcepteurs non optimaux Le dtecteur conventionnel, mono-utilisateur

De plus, mme dans le cas de codes orthogonaux, si les signaux ne sont pas synchrones, on a de fortes chances de perdre lorthogonalit et donc de voir la qualit du rcepteur se dtriorer.

CDMA : rception Les rcepteurs non optimaux Le dtecteur multi-utilisateur

Le dtecteur prsent au paragraphe prcdent a une complexit linaire, mais prsente une faiblesse dans le cas o les utilisateurs mettraient avec des puissances assez diffrentes. On va donc tudier un autre dtecteur qui tout en restant de complexit linaire, limite les problmes dinterfrences inter-utilisateurs. Dans le cadre dune transmission o les utilisateurs sont synchroniss, si lon dcompose le signal reu sur la base des {gk}on obtient le vecteur :

est le bruit gaussien (sa matrice de covariance


Or, puisque le bruit est gaussien, et le signal rK est desprance RsbK et de covariance Rs alors,

donc, la meilleure approximation linaire de bK est le vecteur bK qui minimise la fonction : On montre que est minimale pour le vecteur

le rsultat final tant :


tant dtermin par une opration linaire, la complexit des calculs est linaire en K. On a schmatis le fonctionnement du dtecteur

CDMA : rception Les rcepteurs non optimaux Le dtecteur multi-utilisateur Prenons pour illustrer cette dmonstration, tudions le cas de deux utilisateurs. On a alors :

CDMA : rception Les rcepteurs non optimaux Le dtecteur multi-utilisateur Il est intressant de remarquer que les 2 signaux sont maintenant dcorrls, ce qui signifie que lon na plus les problmes qui pouvaient apparatre dans le cas o les nergies des diffrents signaux seraient assez diffrentes. On peut aussi noter que dans le cas o g1 et g2 sont orthogonaux ( = 0), on retrouve alors le mme rsultat quavec le dtecteur monoutilisateur. De plus, on peut montrer que cette mthode est toujours valable dans le cas o les signaux ne seraient plus synchrones. Ce dtecteur permet donc dliminer les problmes dinterfrences des signaux entre eux. Cest pourquoi on lui donne aussi le nom de decorrelating detector.

Les avantages du CDMA Rsistance aux interfrences

Historiquement, le CDMA est issu de programmes de recherche militaires qui avaient pour but de protger les transmissions dinformation contre le brouillage, cest dire une forme dinterfrence volontaire. Le CDMA, tant une mthode de multiplexage talement de spectre, le brouillage efficace doit se faire sur toute la bande de frquences utilises, ce qui nest pas envisageable car cela consommerait une puissance colossale.

Les avantages du CDMA Rsistance aux interfrences

Dans les applications civiles, la rsistance un brouillage intentionnel nest pas un critre dterminant dans le choix de la technologie de multiplexage. On cherche cependant rendre le systme de communication rsistant des interfrences non volontaires : les interfrences entre utilisateurs, les interfrences lies des phnomnes de rflexion et la prsence dun bruit additif. Le premier type dinterfrences est bien tolr par le CDMA, par construction, puisque les codes utiliss sont faiblement corrls. Au vu des publications auxquelles nous avons eu accs, la rsistance au deuxime type dinterfrences est galement assure, mme si nous navons pas pu la mettre en vidence par nous-mme. Quant la rsistance au bruit additif, nos rsultats exprimentaux nous ont montr la performance trs satisfaisante du CDMA

Les avantages du CDMA Confidentialit (faible probabilit dinterception)

Pour les applications militaires comme civiles, la confidentialit est un atout important pour un systme de communication. Dans le cas du CDMA, le signal mis ressemble beaucoup du bruit parce que lon utilise des codes longs pseudo-alatoires. Le signal est tal uniformment sur un large spectre : on ne dtecte aucun pic en amplitude pour une frquence donne. Ceci permet de masquer la prsence ou non dune communication. Quand bien mme on dtecterait lexistence dune communication, il est trs difficile de lintercepter si on na pas accs aux codes utiliss. Cest une des raisons qui font que larme, ainsi que les oprateurs tlphoniques utilisent cette mthode.

Les avantages du CDMA Un multiplexage adapt au systme cellulaire

Les rseaux de tlphonie mobile actuels sont tous bass sur le concept de cellules. Une cellule correspond une zone gographique dans laquelle les utilisateurs transitent tous par le mme relais. Il se pose deux problmes : celui de la rutilisation des frquences et celui du passage dun utilisateur dune cellule une autre. Du point de vue de la rutilisation des frquences, le CDMA dplace le problme puisquil sagit de codes et non plus de frquences. Cet aspect donne lieu soit des analyses caricaturales (dans les publications quasi publicitaires dentreprises), soit des tudes dont le niveau nous dpassait. Il semblerait que le CDMA soit plus performant que les autres mthodes de multiplexage au niveau des zones de recouvrement des cellules. Nous navons pas pu cependant contrler cette affirmation.

Les avantages du CDMA Une faible consommation

Le CDMA ncessite moins de puissance que les technologies concurrentes. Ce gain est prsent en conversation ou non. Ceci permet laugmentation de lautonomie des tlphones portables ou bien la diminution de la taille des batteries donc des combins.

Thorie de la technique CDMA Description du principe dtalement par squence directe Etude des performance Projet de recherche pour la semaine prochaine Discussion

Description (I)Systme de communication standard

Systme de communication avec talement par un code alatoire To approach channel capacity, it is desirable to make the signal more noiselike. Therefore, we introduce a random number generator, to make the modulation appear random.

Description (I)Vue de pr du modulateur et le dmodulateur

Modle standard Alors dans ce schma 1 ou -1 est transmit chaque seconde. La forme donde donc passe travers un filtre de mise en forme aprs par le canal + affecte par le bruit Le signal rsultant et pass par le matched filtre et chantillonn chaque seconde.

a) is known as the bit time and is known as the bit rate.

Description (I)Vue de pr du modulateur et le dmodulateur

Modle standard

Dans ce cas y un bit entre chaque seconde mais multiplier par une faster moving sequence {-1,1} chaque Tc a) Clearly things that move faster in time are wider in frequency. Hence the name spreading. b) Each of the short transmitted symbols is known as a chip.

Performances (I)Examinons les performances de chaque systmes assurons un canal simple AWGN Le bruit n(t) de variance sigma^2, indpendant des donnes transmises

Dans le systme standard on a :

Aprs chantillonnage, on obtient

Si on assure quil nest pas de ISI, alors les chantillons de bruit sont indpendants. Le seuil de dcision est plac en 0. Supposons que p(0)=p(1).

Performances (I)On peut calculer la probabilit derreur comme suite :

Performances (I)Dans le systme CDMA

Les rij sont indpendant, avec une distribution gaussienne comme :

avec Aprs la multiplication les Sij ont :

Sij ne sont pas dpendant de cij entirement.

Performances (I)

Performances (I)Donc ltalement il nous a pas coter beaucoup de chose a part un peu de complexit dans le modulateur et le dmodulateur. En gnral a vrai que dans le cas dun talement direct dans un systme communication cohrente

MODULATIONS MULTIPORTEUSES OFDM I Canal trajets multiples II

Canal trajet multiples

Le signal mis sous forme donde subit de nombreuses rflexions, en particulier en milieu urbain et le rcepteur reoit une srie dchos de provenances diverses.

I.1 Modle simplifiConsidrons un modle simple dun canal lissus duquel le rcepteur reoit la somme du signal mis et de signaux ayant subit des chos retards tr damplitude r. La rponse impulsionnelle (Passe-bande) scrit :

h(t ) ! C BP (t ) ! V r H (t t r )r !0

n

Sa fonction de transfert :

H ( f ) ! C BP ( f ) ! V r er !0

n

j 2T f t r

I.1 Modle simplifiLe signal analytique associ la rponse impulsionnelle est donc :n

H (t ) jH (t )

t

(t ) ! r !0

r

? (t t H

r

j H (t t r )

A0

pour 2 0 pour

f u0 f

(f)!

n 2 V r exp 2Tftr ( f ) ! r !0 ailleurs 0

f "0

I.1 Modle simplifiPrenons par exemple encore plus simple de 2 trajets, le direct et un retard de t1 :(t) !H (t) VH(t t1 ) et|CBP(f)| 1

( f ) !1 V2 2V cos2Tft1

2

f1/2 t1 1/t1

I.1 Modle simplifiOn remarque que la fonction de transfert CBP(f)H(f), comporte des zones o le signal sera amplifi CBP(f) > 1et des zones o le signal sera trs affaibli CBP(f) < 1( zone dvanouissement fading ). Sa priode de variation est de lordre de 1/ ; tant ltalement des retards. B >

1 t1

CBP(f) = cte pas de distorsion ; CBP(f) nest pas constante distorsions fortes

Slectivit frquentielle

I.1 Modle simplifiEn gnral : Le spectre de la fonction de transfert de lenveloppe complexe est obtenu partir du signal analytique :

L

L

2 ( f ) ! 0

L

(t ) ! 2

(f)!

2 V r exp( j 2T ( f f 0 )t r ( f f0 ) ! r ailleurs 0

f e

2

r

V

r

e

j 2Tf0 tr

e

j 2Tf0 tr

ailleurs

r

fr e

j 2Tf0 tr

H (t tr )

I.1 Modle simplifi5 r ! 2T f 0 t r j5 r j[ t r 2 e fr e (f)! r ailleurs 0 ( t ) ! 2 V r e j5 r H (t t r )r

f e

L

2

etL

I.2 Canal multitrajet :E ( t ) e Signal mis : s ( t ) ! Re s f 0 $ f p $ f c : porteuseE s (t ) : enveloppe co plexeSignal reu : X (t ) ! V r (t ) s t t r (t )j 2Tf0 t

Chaque chemin provoque une attnuation r et un retard tr qui varient en fonction du temps. Le signal reu peut aussi scrire :

(t ) ! Re V r (t ) e j 2Tf 0 t r ( t ) E s (t t r (t ) e j 2Tf 0 t

?

A

I.2 Canal multitrajet :Lexpression entre les crochets montre que le signal en bande de base subit des attnuations r(t), des retards tr(t) et des dphasages [-j 2 f0 tr(t)]. La rponse impulsionnelle en bande de base :

C P (t , tr ) ! 2 V r (t ) e

j 2Tf 0 t r ( t )

H tr (t ) t

I.2 Canal multitrajetDans le cas des effets de retards indpendants du temps on a:

g (t ) !L

V s (t t ! 2 V er r

r

) H (t t r )

j 2 Tf 0 t r

Leur prsentation compacte peut tre faite par lintroduction du facteur de rflexion complexe r et du temps de propagation relatif r

Vr j r 5 0 5 rr ! e V0 X r ! tr t0

5 5 o V0

r 0

! 2T f !

0

t

r

phase

de

V

0

! max

_

V

r

a

I.2 Canal multitrajetpeut tre ngatif mode dexpression non causal ! En gnral, on peut donner un multicanal par le formalisme suivant :rn

C MP ( t ) ! 2

r !0

jU Nr e r H t (tr t0 ) jU 0 2N 0 e

C MP ( t ) ! H ( t )

n

rr !1 r

r

H (t t r )

n

C MP ( f ) ! 1

rr !1

e j 2 T ft r

I.2 Canal multitrajetExemple : Paramtres de retard indpendants du temps avec : n =1, r1 = r, 1= . C2P (f) = 1+ r e-j2 ft = 1 + r cos 2 f j r sin 2 f2

( f ) ! 1 r 2 r cos([t 5)2

2

La phase de] ( f ) ! arctan

2 2

Le temps de propagation de groupe : Xg1 d (f) ! 2T df

! arg

_

2

(f)

a

I

_ e_

r sin 2T f X (f) ! arctan (f) 1 r cos 2T f X

a a

I.2 Canal multitrajetr cos([X 5) 1 Xg ( f ) ! X r 2 2P 2T 1 r 2 r cos([X 5)Pour r = 0,8 ;22P (f)

= /2 :0g(f)/

r 1 r

1.510.5-B/2 1/ 0 f +B/2

-2 r 1 r

-4-B/2 1/ 0 f

+B/2

B >> 1/2 slectivit frquentielle : distorsion forte ; B

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