Réseaux Mobiles - Chap3: Techniques d'accès multiples …...(cdma2000, UMTS) Appliqué dans les WLAN 2G Appliqué dans Le système GPS 33/73 Accès multiples au support de communication

Réseaux MobilesChap3: Techniques d’accès multiples dans les réseaux cellulaires

Rhouma Rhoumahttps://sites.google.com/site/rhoouma

École Supérieure d’Économie Électronique

2eme année Master Pro MBDS

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Plan

1 Duplexing

2 Accès multiples au support de communicationPrncipeFDMATDMAExemplesSSMA

FH/SSDS/SS

Spread spectrum et Acces MultipleSéquences d’étalement

m-sequencesCodes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchroneCodes gold : CDMA asynchroneutilisation de Gold dans GPSLes codes d’étalements appliqués aux 3G : OVSF

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Duplexing

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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Duplexing

duplex

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Duplexing

FDD

FDD : Frequency Division Duplexing offre deux bandes fréquentiellespour chaque utilisateurs.Communication Duplex = 2 canaux Simplex.

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Duplexing

FDD exemples

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Duplexing

TDD

TDD : Time Division Duplexing offre des time slots (au lieu de bandesfréquentielles) pour le Downlink et l’Uplink.Réception et émission se font sur la même fréquence porteuse.Utilisé en blutooth et Mobile WiMAX.

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Duplexing

Problèmes et avantages de FDD

Avantages :Transmission uplink et downlink en continue (sans rupture)Pas d’interférence entre l’uplink et le downlink (si la bande degarde est suffisamment large)

Problèmes :Allocation du trafic inflexiblenécissité de bandes de gardePas le même canal entre émetteur et récepteurNécessité d’un duplexerFDD nécessite une paire de canaux fréquentiels

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Duplexing

Problèmes et avantages de TDD

Avantages :nécessite seulement un seul canal fréquentielLe duplexer est inutileAssure la réciprocité du canal =⇒ Meilleur adaptation du canal(presque le même canal)Allocation du trafic dynamique

Problèmes :Nécessité d’incorporer des périodes de garde(rtd) pour éviter lesinterférences entre Uplink et Downlinkce n’est pas une communication Duplex dans le vrai sens duterme !cross-slot interferenceNécessite synchronisation entre les différents utilisateurs et BTS

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Duplexing

Accès Multiple/Duplexing ds les standrads

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Accès multiples au support de communication

Plan

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FH/SSDS/SS



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Accès multiples au support de communication Prncipe

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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Accès multiple au support

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Techniques d’accès multiple

1 Structuré : centraliséFDMA : Frequency Division Multiple AccessTDMA : Time Division Multiple AccessSSMA : Spread Spectrum Multiple Access

FHMA : Frequency hopping Multiple Access (ou FH-CDMA)CDMA : Code Division Multiple Access (ou DS-CDMA). DS pourDirect Sequence

SDMA : Space Division Multiple Access2 Accés aléatoire

ALOHACSMA/CA : Carrier Sence Multiple Access/ Collision Avoidance

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Autre Classification

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MA techniques ds les standards cellulaires

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Accès multiples au support de communication FDMA

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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FDMA

La bande passante est divisé en sou-bandes (canaux)Un canal supporte 1 seul utilisateurUtilisé dans les systèmes 1G (analogique)Si un canal FDMA n’est pas utilisé par son utilisateur assigné, ilreste idle. =⇒ perte de ressources.

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Exemple système FDMA

AMPS : Advanced Mobile Phone System

1er réseau cellulaire en USAbasé sur FDMA/FDDnb total de canaux :

N =Bt − 2Bguard

Bc

avec Bt : bande spectrale totaleBguard : bande de garde alloué aubord de la bande de fréquencesBc : Largeur de bande du canal

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Accès multiples au support de communication TDMA

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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TDMA

Une fréquence porteuse est partagé entre différents abonnées entime slots (intervalles de temps)chaque utilisateur utilise un (time slot =canal)la transmission est discontinue (en bursts) =⇒ les donnéesdoivent être numériques et les modulations aussiCeci peut diminuer la consommation de puissance.

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Frame TDMA

Preambule : Informations sur les adresses et la synchronisationdu BTS et des abonnées.Guard time : Pour la synchronisation des abonnées entredifferents slots pour eviter les cross-talk.

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TDMA uplink et downlink

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Canaux en TDMA

Nb de canaux temporels : nb de slots mulitplié par les canauxfréquentiels disponibles

N =m(Btot − 2Bguard)

Bc

m : nb d’utilisateurs TDMA maximal danschaque canal fréquentielBtot : La bande passante totale dusystème Bguard : bande de garde danschaque coté de la bande passante Bc :bande passante de chaque canal.

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Accès multiples au support de communication Exemples

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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Exemple 1

Le GSM qui est un système TDMA/FDD qui utilise 25 MHz pour laconnexion montante (uplink) divisée en canaux fréquentiels de 200KHz. On assume qu’il n’ya pas de bandes de garde. Si 8 canaux deparoles sont supportés dans chaque canal fréquentiel, trouver le nbd’utilisateurs que peut supporter GSM simultanément.Solutionnb d’utilisateur simultané :

N =25 MHz

200 KHz/8= 1000

Donc le GSM peut supporter 1000 utilisateurs. Ceci sans considérer laréutilisation de fréquence ni la théorie de trafic.

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Exemple 2GSM utilise une structure de frame (trame) qui consiste en 8 time slots.Chaque time slot contient 156.25 bits. Les données sont transmises à undébit 270.833 Kbit/s. Trouver (a) La durée d’un bit (b) la durée d’un time slot(c) La durée d’une trame (frame) (d) Combien de temps un utilisateur quiutilise un time slot doit patienter entre deux transmissions successives.Solution(a) Durée d’un bit : Tb = 1270.833 Kbit/s = 3.692µs(b) Durée d’un slot : Tslot = 156.25× Tb = 0.577 ms(c) Durée d’une trame (frame) : Tf = 8× Tslot = 4.615 ms(d) un utilisateur doit attendre 4.615 ms, le temps q’une nouvelle trame arrivepour retransmettre à nouveau

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Exemple 3

Si un time slot d’un GSM consiste de 6 trailing bits, 8.25 bits de garde,26 bits d’apprentissage, et deux bursts de trafic ( données pures) de58 bits. Trouver l’efficacité de cette trame : pourcentage de donnéespures par rapport aux données réelles.SolutionUn time slot contient 6 + 8.25 + 26 + 2× 58 = 156.25 bitsUne trame contient 8× 156.25 = 1250 bitsLe nb de bits d’entête (overhead) est :bOH = 8× 6 + 8× 8.25 + 8× 26 = 322 bitsL’efficacité de la trame est : ηf = [1− 3221250 ]× 100 = 74.24%

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Exemple 4 : TDMA avec debits differents

un système à deux canaux de 64 kbit/s chacun et un canal de 640kbit/s sont multiplexés en utilisant le multiplexage temporel (TDM). Sil’entrelacement est fait au niveau d’un octet (8 bit), déterminer :

1 la structure de la trame de durée minimale2 la durée de cette trame3 la vitesse de transmission du multiplexeur (en kbps)

Répondre aux mêmes questions (1, 2 et 3) si l’entrelacement est faitau niveau d’un seul bit (1 bit).

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Solution

Structure de la trame (3 time slots, chacun pour chaque canal) :

Durée de la trame : 8 bits64 Kbps = 125µsVitesse de transmission du multiplexeur : 12×8 bits125µs = 768 KbpsSi l’entrelacement est fait au niveau d’un seul bit (1 bit), lastructure de la trame est comme suit :

Durée de la trame : 1 bit64 Kbps = 15.625µsVitesse de transmission du multiplexeur : 12 bits15.625µs = 768 Kbps

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Accès multiples au support de communication SSMA

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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SSMA

Spread spectrum Multiple AccessFrequency Hopping Multiple AccessCode division multiple access

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Spread Spectrum (SS)

Spread Spectrum(Étalement de spectre) : Développé initialementpour les communications sécurisées à utilisation militaire (Lamarcontre les Nazis en WWII)Difficulté d’interception pour une personne non-authoriséFacilement caché sous le niveau de bruit : difficulté de détecter saprésence pour les non-autorisésImmunise le signal contre le fading multi-trajets (small-scalefading)Capacité d’accès multiple asynchrone avec le SSUtile pour la localisation et le timing (GPS)Appliqué dans les réseaux cellulaires 2G (IS-95 : cdmaOne) et 3G(cdma2000, UMTS)Appliqué dans les WLAN 2GAppliqué dans Le système GPS

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Spread Spectrum (SS)

L’étalement du spectre se réfère à tout système qui satisfait lesconditions suivantes :

1 L’étalement de spectre peut être considéré comme un schéma demodulation, dans lequel la largeur de bande du signal modulé estbeaucoup plus grande que celle du message.

2 L’étalement spectral est effectuée par un code qui est indépendantdu signal de message

Ce même code est également utilisé au niveau du récepteur pourdésétaler le signal reçu afin de récupérer le message à partir dusignal étaléDans une communication sécurisée, ce code est connu seulementà la personne à qui le message est destiné

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Spread Spectrum (SS) : FHSS

Invention de Hedy Lamar en 1942

Pour proteger les transmissions contre lebrouillage

utilisée dans le standard Bluetooth et IEEE802.11

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exemple : FHSS dans Bluetooth

l’information est transmise sur une frequence pendant un time-slot de625 µs

les sauts en fréquence (1/625µs = 1600 sauts par seconde) ont uneamplitude de 6 MHz au minimum et sont déterminés par calcul a partirde l’@ du maître et de l’horloge

ils sont donc aussi connus par le récepteur qui change de fréquence demanière synchrone avec l’emetteur pour récupérer le signal transmis

chaque reseau ou piconet utilise une succession de frequencesdifferentes, et la probabilite de brouillage ou de collision reste faible

en cas de brouillage les données perdues seront retransmises dans letime-slot suivant

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exemple : FHSS dans Bluetooth

Chaque liaison utilisant la technique FHSS occupe donc, à cause dessauts de fréquence, la totalité de la bande de fréquence ISM.

Les signaux perturbateurs ne perturbent la liaison que de temps entemps et pour une durée limitée à un time-slot.

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Spread Spectrum (SS) : DSSS

DSSS : Direct Seqiuence SSconsiste à mélanger le signal binaire à une séquence numériquepseudo aléatoire de débit plus élevé.Dans cet exemple, le signal modulant a un débit 5 fois plus élevé.DSSS est utilisée dans le standard IEEE802.11b et pour l’UMTS.

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DS/SS

Direct Sequence / Spread sprectrum

Le signal Message m(t) de débit 1/Tbbits/s

PseudoNoise signal : PN sequence oucode c(t) de débit 1/Tc chip/s

Le signal étalé est y(t)

Le spreading factor est N :

N =TbTc 39 / 73


pourquoi donc DSSS et FHSS

Dans les 2 cas, la bande occupée est plus large que celle qui estnécessaire à la transmission des informations. Mais l’avantage deces techniques est une forte insensibilité aux brouillages.

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Immunité contre le fading Multi-trajets

Le signal reçu de chaque trajet indésirable est une versionretardée du signal DS/SS.Le signal DS/SS a une auto-corrélation faible (similarité faible)avec ses versions retardés surtout lorsque le délai dépasse ladurée d’un chip.Le signal retardée, qui sera considéré comme une interférence,ne sera pas desétalé par c(t) ce qui va diminuer l’effet des signauxmulti-trajets.DS/SS sert à diminuer l’effet multi-trajets, mais aussi il peutl’exploiter pour augmenter la qualité de réception :

Ceci peut être accompli par un récepteur RAKE (Râteau)Rake est un récepteur qui combine les signaux reçus par différentstrajets, pour participer à augmenter la puissance du signal utile, cequi donne une diversité à la réception.Rake consiste d’un banc de corrélateurs, chaque corrélateurmesure la ressemblance du signal de chaque multi-trajet.En ajustant les différents délais, les signaux multi-trajets sontcombinés pour contribuer à la construction du signale utile.

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Accès multiples au support de communication Spread spectrum et Acces Multiple

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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Spread Spectrum et Multiple Access

Bien qu’on utilise une BW très large pour transmettre le signalétalé, on peut faire :

Le multiplxage : on peut multiplexer plusieurs signaux étalés dansla même bandeAccès multiple : Plusieurs utilisateurs partage le meme banded’étalement de spectre sans s’interférer

Réalisé en assignant un code différent pour chaque utilisateur.Les bandes de fréquences peuvent être réutilisées sans tenir comptede la distance de séparation des utilisateurs.

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FHMA

Faire des sauts de fréquences pourétaler le signal sur toute la bande N×B

N est le nombre de fréquenceporteuses disponiblesB est la largeur de bande du signal

FHMA : Chaque utilisateur Ui peut avoirson propre code d’étalementCi = {f1i , f2i , . . . , fni} pour accéder auréseau où f1i ∈ {f1, f2, . . . , fn}

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DS-CDMA

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DS-CDMA

Pour que le récepteur puisse desétaler le signal reçu y(t), il fautqu’il :

Connaît le code c(t) utilisé par l’émetteur.Synchronize le code du signal reçu et le code généré localement.

Le signal pseudo-noise c(t) apparaît aléatoire et doit êtreimprévisibleLe débit (chip rate) de c(t) est plus grand que le débit (bit rate) demessage m(t).L’auto-corrélation de c(t) doit être très faible : Petite similitude dec(t) par rapport à ses versions retardées =⇒ Meilleur résistanceaux fading Multi-trajets.Dans CDMA, il faut aussi que l’inter-corrélation entre deux codesdifférents c1(t) et c2(t) soit faible : =⇒ interférence négligeableentre les différents signaux multiplexés par accès multiple.

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Accès multiples au support de communication Séquences d’étalement

Plan

1 Duplexing


FH/SSDS/SS



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séquence d’étalement (Spreading sequence)

Séquence pseudo-aléatoirePour des raison de synchronisation, on utilse des séquencespseudo-aléatoires périodiquesLes séquences pseudo-aléatoires utilisés sont :

m-sequenceGold codesKasmai sequencesQuaternary sequencesWalsh functions

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m-sequences

Séquence à longueur maximale généré par un code cycliquecaractérisé par un polynôme générateur g(x)implémenté facilement par un LFSR (Linear Feedback shiftregister)

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m-sequences

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Polynôme primitif

Un LFSR génère une m-sequence ssi (en commençant par n’importequel état 6= 0) il fait sortir tous les états possibles en un cycle.un polynome est primitif ssi son implémentation en LFSR génére unem-sequence.

ExempleDessiner les diagrammes d’états du polynome suivant et vérifier s’il généreune m-sequence.

g(x) = x3 + x2 + x + 1

Donc c’est pas un polynôme primitif !51 / 73


Propriétés de m-sequence

somme de 2 m-sequence retardés est une version retardée de lameme m-sequence

Période de réappration de r-tuplet des m-sequences(r=degré(g(x)) :

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Auto-corrélation de m-sequence

Lors de la transmission, le 0 est remaplacé par +1, et le 1 par -1.

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Problèmes de m-sequence

Mauvaise propriétésd’inter-corrélation (inter-corrélationnon faible)il y a un petit nombre dem-sequence pour une longueurdonnéer : degré de g(x)Np : nb de polynômes primitifs dedegré r

Pour CDMA, on utilise plutot Gold, Kasami, Walsh codes (meilleurinter-corrélation) au lieu de m-sequence.

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CDMA de Qualcom : codes orthogonaux

Chaque utilisateur a un codeorthogonal aux codes des autresutilisateurs2 codes orthogonaux : leur produitscalaire = 0Produit scalaire entre c1 et c2 :< c1, c2 >pour deux signaux continus définisdans [0,T] : < c1, c2 >=

∫ T0 c1 × c2

Pour deux signaux discrets :< c1, c2 >=

∑Ni=1 c1i × c2i

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schéma cdma général

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CDMA synchrone

Synchronisation est essentielle pour garantirl’orthogonalité des codes.

ce n’est pas possible d’avoir des codesorthogonaux pour des utilisateurs asynchrones

la synchronisation est possible en utilisant unehorloge commune : le GPS

En downlink c’est facile de synchroniser entre lesdiff récepteurs puisque il y a un seul émetteur

en uplink c’est difficile =⇒ on utilise CDMaasynchrone

CDMA synchrone utilise les Walsh functions (utiliséen 2G et 3G)

Les fonctions Walsh peuvent être énuméré selonleur nb de passage à 0.

les Walsh codes sont orthogonaux deux à deux

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Walsh

Les walsh peuvent être exprimé ds {0,1} au lieu de {+1,−1}

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Walsh generation

Les Walsh functions peuvent être générés par la matrice deHadamard.La matrice de Hadamard est formé par 1 et -1 dont les lignes etles colonnes sont orthogonaux.

La matrice hadamard 2× 2 : H2 =(

1 11 −1

)Générer des Walshcodes par Hadamard :

H2N =(

HN HNHN −HN

)

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exemple

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Walsh 64

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Exemple CDMA

Transmission de deux msg par deux abonnées :

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Exemple CDMA

Reception et désetaement :

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CDMA asynchrone

en Uplink, chaque abonnée transmet des informations indépendemmentdes autres abonnées. C’est une transmission asynchrone

Les codes assignés à chaque utilisateur doivent avoir uneinter-corrélation faible entre eux indépendemment de leurs retardsrelatifs

Les codes Gold sont utilisés

codes gold ont une mauvaise auto-corrélation par-rapport auxm-sequence ; mais meilleure inter-correlation

Gold est construit par addition de 2 m-sequences.

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Codes Gold

En downlink, on utilise des codes orthogonaux puisque lasynchronisation est facilement réalisableEn uplink la synchronisation est complexe, on utilise des codesnon-orthogonaux qui sont les codes Gold.Il y a une limite supérieure sur le nb de codes orthogonaux qu’onpeut offrirPar contre il existe une infinités de codes non-orthogonaux ayantune faible inter-corrélation.Les codes non-orthogonaux vont causer une interférencemutuelle sur tous les utilisateursLe plus il y en a d’utilisateurs, le plus sera le niveau d’interférencesa diminue la performance de tous les utilisateurs d’une façonproche

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Global Positioning System et gold

Application militaire à l’origine ds les années 90.Permette de déterminer le temps et la position de son récepteur(latitude, longitude, altitude) n’importe où sur terre.24 sattelites en orbite 20200 KmSur chaque point sur terre, au moins 4 satellites seront visibles.Les codes gold sont utilisés pour différentier entre les 24 sattelites

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GPS

Le récepteur GPS mesure sa distance depuis un groupe de sattelitestous les satelites sont équipés d’une horloge atomique d’une précision énorme,et sont tous synchronisésles satelites transmettent d’une façon continue des information sur leurspositions et tempsle récepteur est en synchronisation avec les sattelitesen mesurant le temps de propagation, le recepteur calcule sa position d depuisun satteliteavec 3 sattelites, intersection de 3 spheres donnant 2 point possiblesun quatrièmpe sattelite fixera la position du recepteur

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3G Spreading codes

En UMTS et cdma2000, les données sont étalés 2 foissucceccivement :

Avec les codes de canalisation : Les Walsh codes orthogonales delongueurs variables OVSFensuite avec les codes de brouillage (scrambling) : PN codes

contrairement à IS-95 (2G), l’UMTS et cdma2000 appliquent leswalsh codes de longueur variables pour l’uplink et le downlink.

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OVSF

Orthogonal Variable-length Spreading Factor : les codesorthogonaux utilisés en UMTS et cdma2000Le SF en UMTS varie de 4 à 256 chips en uplink et de 4 à 512 endownlinkEn cdma2000, le SF varie de 4à 128 chipsComparés à IS-95, il utilise des 64-Walsh codes fixes pourl’étalement en downlink et pour le mapping (6 -> 64) en uplink :chaque 6 symboles sont modulés à 1 des 64 codes Walsh.OVSF utilise la représentation en arbreDifférents débits de données peuvent être supportés en lesétalant par différent SF

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Structure en arbre de OVSF

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Structure en arbre de OVSF

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Règle d’allocation des codes

Les codes OVSF sont utilisés pour réaliser des connexions entredifférents débits en variant le SF.SF petit POUR débit plus rapidePour connecter différents débits, il faut des règles pour maintenirl’orthogonalitéRègle de blocage : Si un code est utilisé pour une connexion,alors il ne faut pas le réutiliser ni utiliser ses ancêtres ni sesdescendants pour une autre connexion.les ancêtres et les descendants d’un code donné ne sont pasorthogonales à ce code.ex : Si c4,1 est utilisé pour une connexion, les codes encerclés nesont pas autorisés pour une deuxième connexionSi la 2eme connexion est 2 foix plus rapide que la première, alorsil faut choisir le code c2,1Dans une période de transmission d’1 bit en connexion 1, laconnexion 2 transmet 2 bits. Donc débit conservé

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Récapitulation

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DuplexingAccès multiples au support de communicationPrncipeFDMATDMAExemplesSSMASpread spectrum et Acces MultipleSéquences d'étalement

Documents

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