Systmes W-CDMA

Simulation et analyse des

performances dun rcepteur Rake

Institut National des Postes et des Tlcommunications

Recherche effectue par :

Bilal DJELASSI

Zakaria RIFKI

Younes BALBOUL

Encadrs par :

Pr. T. AIT IDIR

2010

Introduction

En CDMA, les trajets multiples peuvent tre considrs comme un avantage. En effet le concept de

diversit est bas sur la prsence au rcepteur de plusieurs copies du signal dsir, chacune ayant

travers un canal diffrent. Si les vanouissements dans ces canaux sont suffisamment indpendants

(dcorrls), il y a peu de chance quun vanouissement important se produise dans tous les canaux au

mme moment, ce qui permet au final dobtenir une qualit du signal reu plus constante que si on

utilisait une seule copie du signal.

Cette ide est le principe fondateur du rcepteur RAKE qui est capable de distinguer et regrouper les

diffrentes copies du signal afin dobtenir le meilleur estim possible du signal dsir.

Notre projet consiste tudier les avantages dune implmentation du rcepteur RAKE pour des

systmes bass CDMA (Code Division Multiple Access). Pour valuer limpact de ce rcepteur sur un

signal reu, nous avons simul sous loutil Matlab les diffrentes composantes dun systme CDMA.

Nous avons adopt plus prcisment le schma Emetteur-Rcepteur du systme WCDMA et nous avons

analys le signal lors dune transmission mono et multi utilisateur dans un canal de Rayleigh. Nous

avons mesur la performance des diffrents types de RAKE analyss (Strongest Path et Maximum Ratio

Combiner) en calculant le taux d'erreur binaire (TEB).

Les hypothses prises en considration lors de limplmentation sont :

La valeur du Time Transmission Interval TTI est 10ms, soit 38400 chips envoys dans le canal

chaque 10ms.

Le nombre de trajets introduits par le canal est le mme pour toutes les transmissions.

Les retards introduits par le canal sont des multiples de la dure chip.

Les retards introduits par le canal restent fixes pendant une dure trame.

Les attnuations introduites par chaque trajet varient dune transmission une autre mais

leurs variances sont fixes.

Les symboles transmis correspondent la modulation QPSK.

Le rcepteur na priori aucune information sur le canal, donc cest la lui destimer le

nombre de trajets, leurs retard correspondants et les coefficients dattnuation.

Le rcepteur connat au pralable la bonne squence PN.

Ce document est divis en 5 parties, exposant chacune une partie de la chane de transmission en

Downlink. La partie I traite lmetteur WCDMA. La partie II expose la modlisation du canal radio de

transmission. La partie III traite le propose une technique destimation du canal radio au niveau du

rcepteur, et la partie 4 montre la structure du rcepteur RAKE. La dernire partie expose les rsultats

obtenus lors de simulation sous Matlab, ainsi que des interprtations de ces rsultats.

Partie I : Emetteur Downlink WCDMA

Dans le but de faire une approche danalyse la plus raliste possible nous avons ralis un Emetteur

WCDMA (Downlink) capable de multiplexer

le schma suivant :

Fig. 1 :

Ce schma reprsente le multiplexage de N utilisateurs, les donnes de chacun dentre eux est

multiplex par un Code Orthogonal (Code Hadamard) bien spcifique, ensuite lensemble des donnes

sont additionnes et multiplies chip par chip par la squen

module en QPSKA et mise par lantenne dmission.

Afin de visualiser en dtail les paramtres utiliss dans notre simulation on propose le schma suivant

(page suivante) :

: Emetteur Downlink WCDMA

de faire une approche danalyse la plus raliste possible nous avons ralis un Emetteur

ownlink) capable de multiplexer plusieurs utilisateurs la fois, pour cela nous avons adopt

: Schma Emetteur WCDMA en Downlink

Ce schma reprsente le multiplexage de N utilisateurs, les donnes de chacun dentre eux est

multiplex par un Code Orthogonal (Code Hadamard) bien spcifique, ensuite lensemble des donnes

sont additionnes et multiplies chip par chip par la squence de bruitage (Squence PN)

en QPSKA et mise par lantenne dmission.

Afin de visualiser en dtail les paramtres utiliss dans notre simulation on propose le schma suivant

de faire une approche danalyse la plus raliste possible nous avons ralis un Emetteur

plusieurs utilisateurs la fois, pour cela nous avons adopt

Ce schma reprsente le multiplexage de N utilisateurs, les donnes de chacun dentre eux est

multiplex par un Code Orthogonal (Code Hadamard) bien spcifique, ensuite lensemble des donnes

ce de bruitage (Squence PN). La sortie sera

Afin de visualiser en dtail les paramtres utiliss dans notre simulation on propose le schma suivant

Fig. 2 : Schma dmission pour un seul utilisateur (et canal CPICH)

Le signal binaire dorigine transmettre est juste encod en NRZ (code sans retour zro, courant en

tlcommunications) puis d multiplex sur les deux voix I (Rel) et Q (Imaginaire) ensuite on procde

une opration dtalement de spectre qui consiste a multipli par un code orthogonal (OCi) convenable

a lutilisateur (Useri ) le signal a alors une frquence maximale nF, o n est le rapport entre le rythme de

la squence de codage et celui du signal on lappelle gain de traitement ou facteur dtalement (SF :

Spreading Factor). Aprs talement le signal sera multipli par la squence de codage pseudo alatoire

PN puis additionn chip par chip avec le Canal CPICH qui ne reprsente en effet que lmission en clair

de la squence PN.

Partie II : Canal de transmission radio

1. Effets des trajets multiples : Petite chelle (ordre de quelques cm ou dm)

Aprs les avoir envoy dans un canal L trajets, les symboles moduls, tals et bruits subissent ce que

nous appelons leffet des trajets multiples. En effet, un nombre (suivant les L trajets existants dans le

canal) de copies retardes et attnues de chaque symbole sont reues au niveau de lantenne

rceptrice. Le rcepteur Rake est charg par la suite de restituer les symboles envoys par lmetteur.

Le canal considr dans nos simulations est un canal de Rayleigh quatre trajets avec des retards fixes,

dont le profil est similaire celui reprsent dans le graphe ci-dessous : il est noter que les

coefficients dattnuation sont complexes (attnuation et dphasage)

Fig. 3 : Rponse impulsionnelle du canal de transmission radio

2. Modle de variation des paramtres du canal

Le modle de Rayleigh confre les proprits suivantes au canal de transmission :

La transmission du signal seffectue suivant un nombre de trajets L.

Le signal transmis suivant chaque trajet marque un retard Le signal suivant chaque trajet subit aussi un affaiblissement et un dphasage.

On quantifie cette modification par des coefficients de Rayleigh complexes et indpendants pour chaque trajet.

Dans notre tude, on considre que le nombre de multi-trajets est 4 ( = 4). On suppose aussi une conservation de la puissance au niveau du canal (pas de phnomne de Path Loss, dabsorption, ).

Cela se traduit par la contrainte : | | = 1

Fig. 4 : Modlisation du canal de transmission radio

Dans le schma suivant, le canal de Rayleigh pourrait tre modlis par un filtre de rponse

impulsionnelle hHF, dont la sortie est somme avec un Bruit Blanc Additif Gaussien BBAG.

Fig. 5 : Modlisation du systme de transmission radio

Partie III : Estimation du canal au niveau du rcepteur

Lestimation du canal de transmission au niveau du rcepteur permet deffectuer une combinaison

correcte de faon retrouver un signal plus utile la sortie du combineur RAKE.

Cette estimation doit porter sur les retards et les attnuations associs chaque trajet. On utilise pour

cela les proprits des squences pseudos-alatoires. Ces squences prsentent une fonction dauto-

corrlation quasi-parfaite :

() = 0 = 0 0 0

1. Dtection des retards ! des diffrents trajets multiples : On considre la figure suivante :

Fig. 6 : Multi-trajets : retards et attnuations

Le signal ainsi reu est : "#$% = "(' ) + *+,' Par produit dinter-corrlation entre les diffrentes copies dcales du signal reu et la squence PN on

trouve pour chaque dcalage concidant avec le trajet de retard : "#$% = "(' ) = -. + /01 (2 + /3)

"#$% = ((. 0)3 + /(. + 0)2] ) "#$% = -. 01 + / (. + 0)

On dtermine les trajets utiliser ainsi que le trajet MAX (maximum de puissance) en calculant :

567(||"#$% ||) = 567(2 9||9)

" = 3 + /2 Le signal mis

,

,

,

"(' ) "(' ) "(' )

2. Estimation des ;! pour les diffrents trajets ! : Pour chaque trajet on a :

. = 12 [=>-"#$% 1 + 3?-"#$% 1]

0 = 12 [3?-"#$% 1 =>-"#$% 1]

Partie IV : Rcepteur Downlink WCDMA

Dans notre analyse des scnarios de rceptions pour un utilisateur nous avons considr deux

types de rcepteurs. Chacun deux se base sur un type de technique de combinaison au niveau

RAKE bien spcifique.

Les deux systmes tudis sont les suivants :

1. Rcepteur RAKE utilisant lalgorithme MRC (Maximun Ratio Combiner) :

Fig. 7 : Rcepteur RAKE utilisant lalgorithme MRC

Aprs estimation des nombres de trajets ainsi que leurs retards associs et les coefficients i qui

leurs sont lis, le signal reu attaque L doigts ou il est retard sur chacun par i et multipli par i*

pour enfin sommer lensemble des L trajets dans le but de former une nouvelle squence dont le

rapport signal bruit est amlior. Le signal en sortie du MRC (Maximun Ratio Combiner) est

ensuite multipli par la squence PN (descrambling) puis dstal par un code OCi dpendant

dun utilisateur spcifique. Aprs intgration et dtection on obtient les donnes de lutilisateur.

0

1

2

L-1

*0

*1

*2

*L-1

PN OCi

Dmodulation

Antenne

Signal reu

Compensation des Retards

Estimation des i et i

Q

I

Signal Utilisateur

2. Rcepteur RAKE utilisant lalgorithme SP (Strongest Path) :

Fig. 8 : Rcepteur RAKE utilisant lalgorithme SP

Par le procd dinter-corrlation du signal reu avec la squence PN, on dtermine le trajet de

puissance maximale max ainsi que le retard qui la affect durant son parcours du canal de

transmission. Le trajet slectionn est multipli par la squence PN (descrambling) puis dstal

par un code OCi dpendant dun utilisateur spcifique. Enfin aprs intgration et dtection on

obtient les donnes de lutilisateur.

PN OCi

Dmodulation Compensation

du Retard

I

Q

Signal

Utilisateur

Dtection du Trajet max et

estimation de son retard

Antenne

Signal reu

Partie V : Simulation

On considre un systme de transmission WCDMA dans le sens descendant. L'implmentation sous

Matlab intgre tous les aspects prcdemment dcrits dans les parties I, II, III et IV.

On visualisera pour chaque simulation le trac des courbes donnant le taux derreur binaire (Bit Error

Rate : BER) en fonction du rapport signal bruit (SNR).

Le SNR est dfini dans notre cas comme le rapport entre la puissance du signal associ lutilisateur

considr en rception et la puissance du bruit blanc gaussien.

Le canal de transmission est un canal de Rayleigh, sur lequel seront transmises 10000 trames de

donnes pour chaque mesure du BER, ce qui correspond 10000 ralisations alatoires du canal

(retards fixes et coefficients complexes alatoires).

1re

simulation : Comparaison entre les algorithmes SP et MRC (contexte mono utilisateur)

On cherchera comparer les performances des algorithmes de combinaison SP (Strongest Path) et MRC

(Maximun Ratio Combining). Le coefficient dtalement SF prendra successivement les valeurs SF = 4, 16

et 64. On considre dans ce cas un seul utilisateur (un seul code orthogonal mis en uvre).

On obtient sous Matlab les courbes suivantes pour lalgorithme MRC :

Fig. 9 : BER en fonction du SNR pour lalgorithme MRC (SF=4, 16, 64) Mono Utilisateur

Dans ce graphe, on dduit que le BER chute avec laugmentation du SF. Ceci est d essentiellement

ltalement des bits dinformation qui donne une certaine immunit aux erreurs de transmission.

Et pour lalgorithme SP on obtient les courbes ci-dessous :

Fig. 10 : BER en fonction du SNR pour lalgorithme SP (SF=4, 16, 64) Mono Utilisateur

Au mme titre que le MRC, le SP procure une chute du BER avec le SF, pour la mme raison dtalement.

La figure ci-dessous regroupe les deux prcdentes et permet une comparaison entre le MRC et le SP.

Fig. 11 : Comparaison entre les algorithmes SP et MRC Mono Utilisateur

On voit clairement que le MRC procure de meilleures performances que le SP, car on bnficie du gain

en diversit apport par la contribution multiple du signal.

Le gain peut tre trs grand, comme on peut lobserver pour SF=16 et pour un SNR=5 :

@ABCD@ABEBFG CHIJCKBLM@ INN

2me

simulation : Influence du nombre dutilisateurs sur les performances

On cherchera dans cette deuxime partie valuer linfluence des autres utilisateurs sur la qualit de

rception dun utilisateur particulier.

On considrera un facteur dtalement SF=32 (31 codes disponibles pour les utilisateurs). On valuera le

BER pour un seul utilisateur en prsence de 5, 10 , 20 et 30 autres utilisateurs.

Pour lalgorithme MRC, la simulation donne les courbes suivantes :

Fig. 12 : BER en fonction de SNR Algorithme MRC (SF=32) Multi Utilisateurs (N=1, 6, 11, 21, 31)

On constate que les performances se dgradent rapidement avec la prsence dautres utilisateurs. Pour

SNR=0dB, le taux derreur binaire passe de 10O aux alentours de 10 avec seulement la prsence de 5 utilisateurs supplmentaires.

Cette dgradation tend lentement vers des valeurs dfavorables du BER effleurant les 10. En reprenant les simulations et en changeant uniquement lalgorithme de combinaison (SP au lieu de

MRC), on obtient cette fois-ci les courbes suivantes (page suivante) :

Fig. 13 : BER en fonction de SNR Algorithme SP (SF=32) Multi Utilisateurs (N=1, 6, 11, 21, 31)

On constate toujours que le SP prsente des performances mdiocres compar au MRC. Toujours en

considrant un SNR nul, on trouve pour le cas de 5 utilisateurs supplmentaires :

@ABCD@ABEBFG CHPQCKBNM@ R, L

La dgradation due la prsence dautres utilisateurs suit la mme tendance que dans le cas du MRC.