par Harri Holma, Antti Toskala et Ukko Lappalainen

Le WCDMA et les systèmes de troisième génération

Les réseaux cellulaires analogiques ont été communément appelés « systèmes de premièregénération ». Quant aux réseaux numériques utilisés à l'heure actuelle, comme le GSM, lePDC (Personal Digital Cellular), le CdmaOne (IS-95) et l'US-TDMA (IS-136), ils sont re-groupés sous l’appellation de « systèmes de deuxième génération ». Ces systèmes ont per-mis aux communications vocales de s’affranchir de la traditionnelle paire de cuivre et degérer efficacement la mobilité de leurs utilisateurs. Ces derniers ont pu progressivement dé-couvrir les avantages de nouveaux services, comme les messages courts et l'accès aux ré-seaux de données.

Les systèmes dits de « troisième génération » ont été conçus pour les communications mul-timedia. Avec ces nouveaux systèmes, les communications pourront être enrichies d'imageset de vidéo de grande qualité. L'accès aux informations et aux services, que ce soit sur desréseaux publics ou privés, sera facilité par des débits nettement supérieurs et des fonction-nalités avancées. Cela, combiné avec l'évolution continuelle des systèmes de deuxième gé-nération, créera de formidables opportunités économiques, non seulement pour lesconstructeurs et les opérateurs, mais aussi pour les fournisseurs de contenus et d'applica-tions utilisant ces réseaux.

Dans les différents forums de normalisation, la technologie WCDMA (Wideband Code Di-vision Multiple Access) s’est révélée être celle qui a été adoptée le plus largement. Le 3GPP(3rd Generation Partnership Project) est en charge de la rédaction de ses spécification. Ilregroupe de nombreux organismes de normalisation tant en Europe que dans le reste dumonde (Japon, Corée, Chine et Etats-Unis). Au sein du 3GPP, le WCDMA est appeléUTRA (Universal Terrestrial Radio Access) FDD (Frequency Division Duplex) et TDD(Time Division Duplex), le terme WCDMA étant employé pour couvrir à la fois le modeFDD et TDD.

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Tout au long de cet ouvrage, dans les chapitres traitant des spécifications, seront utilisés lestermes du 3GPP, à savoir UTRA FDD et TDD, alors que dans les autres, sera utilisé le termeplus générique WCDMA. Ce livre traite principalement de la technologie WCDMA FDD.Cependant, le mode WCDMA TDD et ses différences par rapport au mode WCDMA FDDseront évoqués au chapitre 11.

Les interfaces air et l’allocation du spectre

Les systèmes de troisième génération ont vu le jour en 1992. C’est durant l’une de ses réu-nions que le WARC (World Administrative Radio Conference) de l’ITU (International Te-lecommunications Union) identifia les fréquences autour de 2 GHz comme celles quiseraient attribuées aux futurs systèmes de troisième génération, tant satellites que terrestres.Au sein de l’ITU, ces systèmes furent appelés IMT-2000 (International Mobile Telephony2000). Dans cette structure, plusieurs interfaces air ont été définies, fondées aussi bien surla technologie CDMA (Code Division Multiple Access) que la technologie TDMA (TimeDivision Multiple Access). Nous y reviendrons dans le chapitre 2.

Cependant, l’objectif de départ était de définir une seule et unique interface air pour ces sys-tèmes IMT-2000. Les systèmes de troisième génération ont su rester tout de même plus pro-ches de cet objectif que ne l’ont été les systèmes de deuxième génération. La mêmeinterface air - WCDMA - doit être utilisée en Europe et en Asie (Japon et Corée inclus).Cette interface air utilise la bande de fréquences autour de 2 GHz allouée par le WARC-92.Pourtant, en Amérique du Nord, ce spectre a déjà été vendu aux enchères à des opérateursutilisant des systèmes de deuxième génération. Aucun spectre supplémentaire ne sera dis-ponible pour l’IMT-2000. Cela signifie que, dans ces pays, ces fréquences devront être li-bérées ou partagées afin d’introduire les systèmes de troisième génération. La totalité duspectre IMT-2000 n’est en fait pas disponible dans les pays qui ont introduit le PCS (Per-sonal Communications Systems) en tant que système de deuxième génération.

Outre le WCDMA, les interfaces air pouvant être utilisées pour fournir des services de troi-sième génération sont EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) et le CDMA à mul-tiples porteuses (cdma2000). EDGE permet d’offrir des débits allant jusqu’à 500 kbit/s avecun espacement fréquentiel entre porteuses de 200 kHz [1]. EDGE comprend des fonction-nalités avancées, ne faisant pas partie du GSM, afin d’améliorer l’efficacité spectrale et desupporter de nouveaux services. Le CDMA à multiples porteuses, quant à lui, peut être uti-lisé comme une solution d’extension par les opérateurs existants IS-95. Il sera présenté plusen détail dans le chapitre 12.

Les zones géographiques où seront probablement utilisées ces différentes interfaces air ain-si que leurs bandes de fréquence respectives sont présentées dans la Figure 1. Notons quedans chaque région, il existe des exceptions locales, là où sont déjà déployées plusieurstechnologies. L’allocation du spectre en Europe, au Japon, en Corée et aux Etats-Unis, estprésentée dans la Figure 2.

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En Europe et dans la plupart des pays asiatiques, les bandes de fréquences IMT-2000 d’unelargeur de 60 MHz (1920-1980 MHz et 2110-2170 MHz) seront disponibles pour le WCD-MA FDD. En revanche, le spectre pour le WCDMA TDD varie selon les pays. En Europe,il est prévu de réserver 25 MHz pour des licences TDD, dans les bandes 1900-1920 MHzet 2020-2025 MHz, alors que la bande 2010-2020 MHz est réservée pour des applicationsTDD ne nécessitant pas de licence. Les systèmes FDD utilisent deux bandes de fréquencesdifférentes, une pour le sens montant (uplink) et l’autre pour le sens descendant (downlink),séparées par un intervalle fréquentiel, tandis que les systèmes TDD utilisent la même bandede fréquences pour les deux sens, uplink et downlink.

Figure 1 Interfaces air et spectres des systèmes de troisième génération

Au Japon et en Corée, la bande IMT-2000 est la même que dans le reste de l’Asie et en Eu-rope. Le Japon a déployé des systèmes de deuxième génération PDC tandis que la Corée aopté pour l’IS-95. L’allocation du spectre en Corée est cependant différente de celle desEtats-Unis, laissant le spectre IMT-2000 entièrement disponible. Au Japon, une partie de cespectre est en revanche utilisée par le système PHS (Personal Handy phone System) de té-léphonie sans fil.

En Chine, une partie du spectre IMT-2000 est réservée pour les systèmes PCS et la bouclelocale radio (WLL, Wireless Local Loop), bien que ces fréquences n’aient été pour l’instantattribuées à aucun opérateur. En fonction des décisions des autorités de régulation chinoi-ses, deux bandes de fréquences de 60 MHz pourraient être disponibles pour le WCDMAFDD. Le spectre TDD est, quant à lui, d’ores et déjà réservé.

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Aux Etat-Unis, aucun spectre supplémentaire n’a pour l’instant été attribué. Les systèmesde troisième génération devront donc être implémentés sur le spectre PCS existant, qui de-vra être libéré en partie ou en totalité. Concernant cette bande PCS, tous les systèmes detroisième génération peuvent être considérés, mais EDGE possède un avantage non négli-geable puisqu’il s’agit d’un système à bande étroite. Avec EDGE, moins de spectre est né-cessaire pour déployer des services de troisième génération, mais le CDMA à multiplesporteuses et le WCDMA ne sont pas exclus pour l’instant.

Figure 2 Allocation du spectre en Europe, au Japon, en Corée et aux Etats-Unis

EDGE peut être déployé là où les fréquences GSM 900 et GSM 1800 sont utilisées, ce quin’est pas le cas, par exemple, en Corée et au Japon. Le spectre GSM 900 s’étend sur deuxbandes de 25 MHz, plus deux bandes de 10 MHz pour le EGSM (Enhanced GSM) qui estune extension du GSM. Quant à celui du GSM 1800, il s’étend sur deux bandes de 75 MHz.Notons que la totalité du spectre GSM (GSM 900, EGSM et GSM 1800) n’est pas disponi-ble dans tous les pays. Dans un futur plus ou moins proche, il sera possible d’utiliser leWCDMA sur les bandes GSM qui se libéreront, mais pour l’instant EDGE est la solutionla plus logique pour fournir des services de troisième génération sur les bandes GSM.

Concernant le spectre IMT-2000, l’attribution des licences est en cours. Les premières li-cences ont été attribuées en Finlande en Mars 1999, puis en Espagne en Mars 2000 et enSuède en Décembre 2000. Pour ces trois pays, les licences ont été attribuées sur dossier,comme le furent la majorité des licences GSM en Europe. Certains pays, comme le Royau-me Uni, l’Allemagne et l’Italie, ont opté pour une mise aux enchères des licences, pratiquesimilaire à celle employée aux Etats-Unis pour le spectre PCS.

INTRODUCTION 23

Les licences UMTS attribuées en Europe et au Japon sont présentées dans le Tableau 1. Lenombre d’opérateurs varie de trois à six selon les pays.

Il est prévu que d’autres fréquences soient allouées pour l’IMT-2000. Lors de la réunion duWARC-2000 au mois de Mai 2000, les bandes de fréquences suivantes ont été identifiées :

� 806 - 960 MHz.

� 1710 - 1885 MHz.

� 2500 - 2690 MHz.

Notons que certaines portions de ces bandes de fréquences, en particulier celles en dessousde 2 GHz, sont en partie utilisées par des systèmes de deuxième génération, tel que le GSM.Des discussions sont en cours afin de déterminer quelles portions pourraient être utiliséespour l’IMT-2000 et celles qui devraient être par conséquent libérées.

Le calendrier des systèmes de troisième génération

Les travaux de recherche sur le WCDMA ont débuté au début des années quatre-vingt-dixau sein de projets européens de recherche, tels que CODIT (Code division test bed [2]) etFRAMES (Future radio wideband multiple access system [3]). Ces travaux ont été menésavec la collaboration des principales sociétés de téléphonie mobile [4]. Ils ont permis, au

Tableau 1 Licences UMTS attribuées (à la fin de l’année 2000)

PaysNombre

d’opérateurs

Nombre de porteuses FDD (2 x 5 MHz) par

opérateur

Nombre de porteuses TDD (1 x 5 MHz) par

opérateur

Finlande 4 3 1

Japon 3 4 0

Espagne 4 3 1

Royaume Uni 5 2-3 0-1

Allemagne 6 2 0-1

Pays-Bas 5 2-3 0-1

Italie 5 2 1

Autriche 6 2 0-2

Suède 4 3 1

Norvège 4 3 1

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cours d’expérimentations, d’évaluer les performances des systèmes WCDMA [5] et demieux en comprendre le fonctionnement, étape indispensable avant toute tentative de nor-malisation. En janvier 1998, l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) achoisi le WCDMA comme interface air standard des systèmes de troisième génération [6]et sa normalisation a été prise en charge par le 3GPP. Les premières spécifications en ontété achevées à la fin de l’année 1999.

Les premières ouvertures commerciales des réseaux de troisième génération sont prévuespour le courant de l’année 2001 au Japon et au début de l’année 2002 en Europe et dans lereste de l’Asie. La Figure 3 rappelle les différentes étapes de la normalisation et de la miseen place de ces systèmes de troisième génération. Il ne s’agit ici que de réseaux fonctionnanten mode FDD, le mode TDD devrait suivre un peu plus tard. Les premiers réseaux TDDdevraient être fondées directement sur la version R2000 (Release 2000) des spécificationsdu 3GPP. Au Japon, le calendrier du mode TDD est d’autant plus incertain que le spectreTDD n’est pas disponible.

Figure 3 Normalisation et ouverture commerciale des systèmes 3G

Le premier réseau GSM, Radiolinja, vit le jour en juillet 1991 en Finlande. Depuis, dans denombreux pays, la téléphonie mobile a atteint un taux de pénétration de la population de50%, voire de 70% dans certains cas. Les systèmes de deuxième génération comme leGSM, ont principalement été conçus pour la voix et il reste maintenant aux systèmes de troi-sième génération de développer toute une gamme de services données, toujours dans uncontexte de mobilité.

Le WCDMA et les interfaces air de deuxième génération

Nous allons maintenant nous intéresser aux principales différences qui existent entre les in-terfaces air des systèmes de deuxième et de troisième génération (2G et 3G). Le GSM etl’IS-95 (la norme des systèmes cdmaOne) sont les deux interfaces air de deuxième généra-tion que nous allons considérer ici. Il en existe bien évidemment d’autres comme le PDC,

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au Japon, et l’US-TDMA, en Amérique du Nord. Ces deux dernières sont fondées sur unetechnologie TDMA et elles sont plus proches du GSM que de l’IS-95. Rappelons que cessystèmes de deuxième génération ont été conçus pour des services voix.

Pour mieux comprendre les origines des différences entre les systèmes 2G et 3G, il est im-portant de connaître les nouveaux besoins des systèmes de troisième génération :

� hauts débits (allant jusqu’à 2 Mbit/s).

� débit variable (bande passante à la demande).

� multiplexage de services ayant une qualité de service différente (voix, vidéo, don-nées, etc.) sur une même connexion.

� délai (faible pour les services temps réel, plus important et variable (best effort) pourcertains services données).

� qualité (d’un taux d’erreur trame de 10% à un taux d’erreur bit de 10-6).

� co-existence des systèmes 2G et 3G.

� handovers inter-systèmes (pour des raisons de couverture ou de partage de charge).

� support de trafics uplink et downlink asymétriques.

� forte efficacité spectrale.

� co-existence des modes FDD et TDD.

Les principales différences entre les interfaces air WCDMA et GSM sont présentées dansle Tableau 2. Ces différences reflètent bien les nouveaux besoins des systèmes de troisièmegénération. Par exemple, la plus grande bande passante du WCDMA (5 MHz) est nécessai-re pour supporter des débits plus importants. La diversité de transmission a été adoptée parle WCDMA afin d’augmenter la capacité downlink et d’offrir ainsi des capacités downlinket uplink asymétriques. Notons que cette diversité de transmission n’est pas supportée parles systèmes de deuxième génération. La transmission simultanée de plusieurs services ca-ractérisés par différents débits et qualités de service nécessite la mise en place de nouveauxalgorithmes de gestion des ressources radio afin de garantir la qualité de service globale etde maximiser le débit total.

Le WCDMA et l’IS-95 utilisent tous deux la méthode d’accès multiple par répartition decode au moyen d’une modulation par séquence directe (DS-CDMA, Direct Sequence CodeDivision Multiple Access). Le plus fort débit chip, qui correspond au débit de la séquencede codage du WCDMA, permet une meilleure efficacité de la diversité de trajets multiplesque le débit chip de 1,2288 Mcp/s de l’IS-95, en particulier pour les cellules de petite tailleen environnement urbain. L’importance de la diversité de trajets multiples et son impact surles performances du système seront présentés dans les sections 8.2.1.2 et 10.2.1.3. Notonstout de même qu’une meilleure diversité de trajets multiples améliore la couverture radio et

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que l’utilisation d’un débit chip élevé permet de réaliser des gains en transmission, surtoutpour les services haut débit.

Les principales différences entre les interfaces air WCDMA et IS-95 sont présentées dansle Tableau 3.

Tableau 2 Principales différences entre les interfaces air WCDMA et GSM

WCDMA GSM

Espacement entre porteuses 5 MHz 200 kHz

Motif de réutilisation des fréquences 1 1-18

Fréquence de contrôle de puissance 1 500 Hz 2 Hz (ou moins)

Contrôle de qualitéAlgorithmes de gestion

des ressources radioPlan de fréquences

Diversité de fréquence Récepteur Rake Saut de fréquence

Transmission de données En fonction de la chargeEn fonction du nombre de time slot disponibles

(en GPRS)

Diversité de transmission downlinkSupportée, augmente la

capacité downlink

Non supportée par la norme, peut être

implémentée

Tableau 3 Principales différences entre les interfaces air WCDMA et IS-95

WCDMA IS-95

Espacement entre porteuses 5 MHz 1,25 MHz

Débit chip (débit de la séquence de codage)

3,84 Mcp/s 1,2288 Mcp/s

Fréquence de contrôle de puissance1 500 Hz

(uplink et downlink)uplink : 800 Hzdownlink : lent

Synchronisation des stations de base Pas nécessaireNécessaire

(obtenue par GPS)

Handover inter-fréquences Oui Possible

Algorithmes de gestion des ressources radio

OuiPas nécessaires

pour la voix

Transmission de données En fonction de la charge Mode circuit

Diversité de transmission downlinkSupportée, augmente la

capacité downlinkNon supportée par la norme

INTRODUCTION 27

Le WCDMA réalise un contrôle de puissance sur les sens uplink et downlink à une fréquen-ce de 1 500 Hz. La fréquence à laquelle ce contrôle de puissance est réalisé en IS-95 est net-tement plus faible, surtout pour le sens downlink. Le fait de réajuster la puissance sur le sensdownlink très fréquemment permet d’augmenter les performances de la liaison ainsi que lacapacité totale downlink, mais cela nécessite de nouvelles fonctionnalités au sein du mobi-le, telles que l’estimation du rapport signal à interférence (SIR, Signal to Interference Ratio)et la mise en place d’un contrôle de puissance en boucle externe, ce qui n’est pas nécessairepour les mobiles IS-95.

Les systèmes IS-95 ont été conçus principalement pour des réseaux macro-cellulaires. Lesstations de base de tels réseaux sont généralement installées sur des mâts ou sur les toits desimmeubles où les signaux du système GPS (Global Positioning System) sont facilement re-çus. Ces stations de base doivent en effet être synchronisées entre elles et cette synchroni-sation est généralement assurée par le système GPS. Cela devient problématique pour lesmicro-cellules et les cellules indoor qui, selon leur emplacement, peuvent ne pas recevoirles signaux GPS. Le CDMA, quant à lui, a été conçu pour fonctionner sans synchronisation.Ce fonctionnement asynchrone des stations de base rend par conséquent le mécanismed’handover légèrement différent de celui employé par l’IS-95.

Les handovers inter-fréquences est une autre spécificité du WCDMA, développée pouraugmenter l’utilisation de plusieurs porteuses au sein du même station de base. Dans la nor-me IS-95, les mesures permettant le handover inter-fréquences n’ont pas été définies, ce quirend plus difficile la mise en place d’un tel fonctionnement.

Comme nous pouvons le remarquer, il existe de nombreuses différences entre ces trois in-terfaces air, mais n’oublions pas que le développement des interfaces air de troisième gé-nération s’est appuyé sur l’expérience acquise grâce à celles de deuxième génération.Rappelons également qu’une bonne compréhension de l’interface air WCDMA, de la cou-che physique jusqu’à la planification radio et à l’optimisation des performances, est indis-pensable pour bien appréhender la globalité des réseaux de troisième génération.

Les réseaux cœur

Les réseaux d’accès WCDMA peuvent se connecter principalement à trois types de réseauxcœur. Les systèmes de deuxième génération s’appuient soit sur un réseau cœur GSM, soitsur un réseau de type IS-41. Ces deux derniers sont évidemment pressentis pour les systè-mes de troisième génération, mais une alternative existe : il s’agit d’un réseau GPRS basésur un réseau cœur tout IP (full-IP). Les principales possibilités de raccordements entre ré-seau cœur et interfaces air sont présentées dans la Figure 4. D’autres possibilités sont envi-sageables dont certaines pourraient faire leur apparition au sein des organismes denormalisation.

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Figure 4 Relations Réseau cœur et Interfaces air de troisième génération

Les besoins du marché devrait déterminer les combinaisons qui seront utilisées par les opé-rateurs. Il est prévisible que ces derniers conserveront leur réseau cœur actuel pour les ser-vices voix en leur ajoutant des fonctionnalités de traitement et de transport pour lesnouveaux services données. A moyen terme, il sera possible d’utiliser un seul réseau cœurIP pour l’ensemble de ces services.

A cause des différentes technologies et fréquences utilisées à travers le monde, le roamingnécessitera des accords spécifiques entre opérateurs ainsi que l’utilisation de terminauxmulti-modes et multi-bandes et de passerelles nationales et internationales entre les diffé-rents réseaux cœur. Cependant, pour l’utilisateur final, ces accords seront transparents et lesterminaux multi-modes et multi-bandes devraient apparaître pour les clients qui sont prêtsà payer le prix fort pour un service de télécommunications global et mondial.

Références

[1] Pirhonen, R., Rautava, T. and Penttinen, J., « TDMA Convergence for Packet DataServices », IEEE Personal Communications Magazine, Juin 1999, Vol. 6, No. 3, pp.68-73.

[2] Andermo, P.-G. (ed.), « UMTS Code Division Testbed (CODIT) », CODIT FinalReview Report, Septembre 1995.

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[3] Nikula, E., Toskala, A., Dahlman, E., Girard, L. and Klein, A., « FRAMES MultipleAccess for UMTS and IMT-2000 », IEEE Personal Communications Magazine,Avril 1998, pp. 16-24.

[4] Ojanperä, T., Rikkinen, K., Häkkinen, H., Pehkonen, K., Hottinen, A. and Lilleberg,J., « Design of a 3rd Generation Multirate CDMA System with Multiuser Detection,MUD-CDMA », Proc. ISSSTA'96, Mainz, Germany, Septembre 1996, pp. 334-338.

[5] Pajukoski, K. and Savusalo, J., « Wideband CDMA Test System », Proc. IEEE Int.Conf. on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC'97, Helsinki,Finland, 1-4 Septembre 1997, pp. 669-672.

[6] Holma, H., Toskala, A. and Latva-aho, M., « Asynchronous Wideband CDMA forIMT-2000 », SK Telecom Journal, South Korea, Vol. 8, No. 6, 1998, pp. 1007-1021.