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UMTSChapitre 4 : la couche physique de linterface radio
Principe du CDMA__________________________________________________________ 1
Multiplexage sur voie radio___________________________________________________ 2
Utilisation des codes ________________________________________________________ 3
Les codes utiliss dans lUTRAN ______________________________________________ 4
Les codes de brouillage ______________________________________________________ 5
Gain de traitement et puissance disponible ______________________________________7
Contrle de puissance _______________________________________________________ 8
Contrle de charge__________________________________________________________ 9
Respiration des cellules __________________________________________________ 10
Structure des canaux physiques ______________________________________________ 11
Synchronisations slot et trame _______________________________________________ 12
Diffusion des informations systme____________________________________________ 14
Paging___________________________________________________________________ 15
Accs alatoire des mobiles __________________________________________________ 16
Transport des donnes ______________________________________________________ 17
Exemples de formats DPCH _________________________________________________ 20
Traitement de bout en bout par la couche physique : exemple du service de phonie_____ 22
Traitement de bout en bout par la couche physique : cas gnral ___________________ 23
Dtails des traitements______________________________________________________ 24
Adaptation aux fluctuations de dbit source ____________________________________ 26
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Principe du CDMA
Deux modes de duplexage
Mode FDD en W-CDMA pour les bandes appaires (2x 60 MHz)Mode TDD en W-TDMA / CDMA pour les bandes non appaires (35 MHz)
1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2200
TDD
UL/DL
FDD UL MSS UL TDD
UL/DL
FDD DL MSS DL
temps
Densit de
puissance
frquence
Densit de
puissance
frquence
FDD
TDD
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Multiplexage sur voie radio
TDD
Une seule frquence utilise alternativement dans chaque sensAvantages :
- flexibilit dans lallocation du spectre (pas de bande de garde)- bien adapt aux dbits asymtriquesInconvnients : synchronisation (plus complexe)
- ncessit davoir le mme point de basculement up/down dans tout le rseau- synchronisation des BS- mme niveau dasymtrie dans tout le rseau
Cas dun point de basculement diffrents entre deux cellules adjacentes :
FDD
Possibilit dmission/rception simultane
- Bien adapt aux dbits symtriques-
Allocation du spectre non optimise (bande de garde)- Etat de maturit plus avanc que le mode TDD
NB : seul le mode FDD est tudi dans la suite du cours
UE2
UE1
Brouillage
2 1
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Utilisation des codes
Etalement de spectre squence directe
Le signal dinformation est directement multipli par la squence de codeUMTS
Chip rate fixe de 3.84 Mcps
(un chip un lment de code reprsentant un bit)
Gain de traitement ou Spreading Factor SF variable selon le dbit
dinformation
IS-95Chip rate fixe de 1.288 Mcps
CDMA-2000
Chip rate variable multiple du chip rate utilis dans IS-95 soit N x 1.288 Mcps
plusieurs gains de traitement possibles pour le mme dbit dinformation
N {1, 3, 6, 9, 12}
Exemple
Dbit binaire N SF Dbit chip Largeur de
bande
(MHz)
UMTS 7.5 kbps 512 3.84 Mcps 5
UMTS 15.5 kbps 256 3.84 Mcps 5
CDMA-2000 9.6 kbps 1 128 1.288 Mcps 1.25
CDMA-2000 9.6 kbps 3 384 3.6864 Mcps 3.75
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Les codes utiliss dans lUTRAN
Deux types de codes :
-
codes de channelisation OVSF- codes de brouillage
OVSF orthogonal variable spreading factor
Type Walsh-Hadamard
SF = 1 SF = 2 SF = 4
C4,1 = (1, 1, 1, 1)
C2,1 = (1, 1)
C4,2 = (1, 1, -1, -1)
C1,1 = (1)
C4,3 = (1, -1, 1, 1)
C2,2 = (1, -1)
C4,4 = (1, -1, -1, 1)
2 squences situes sur le mme niveau hirarchique sont orthogonales
2 codes situs sur la mme branche sont non-orthogonaux
limite importante dans lallocation des codes ex : si C2,1 utilis, on ne peut plus utiliser C1,1, C4,1, C4,2 et tous les descendants dbit utilisateur lev SF faible on bloque une partie importante de larbre
SF admis par lUTRAN :
- 4 256 pour les canaux montants- 4 512 pour les canaux descendants
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Les codes de brouillage (1)
Limites des codes OVSF :
-
ne constituent pas des squences pseudo-alatoires
pas forcmentdtalement de spectre (ex : C 256,1 = 256 eb 1)
- orthogonalit seulement pour des squences alignes => difficult lie lanon-synchronisation des mobiles dans le sens montant
- ncessit dun 2me traitement par des codes dits de brouillage
Principe dallocation :
Sens descendant :
- un code de channelisation par canal physique- la cellule dispose de la totalit de larbre OVSF- un code de brouillage par cellule- les codes de brouillage distinguent les cellules entre elles- 512 codes disponibles-
contrainte sur la planification du rseau (cellules proches
codes
)
Chips
Information
binaire
Code
OVSFCode de
brouillage
Modulation et
mission
Horloge
chip
Bits
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Les codes de brouillage (2)Sens montant :
- un code de channelisation par canal physique- le mobile dispose de la totalit de larbre OVSF- un code de brouillage par mobile- les codes de brouillage distinguent les mobiles entre eux- 224 codes disponibles- pas de contrainte sur la planification entre les mobiles (alatoire)
Exemple dallocation
Sens montant Sens descendant
Code de brouillage Code OVSF Code de brouillage Code OVSF
Mobile 1 Cs1 C8,1
C8,2
Cs1 C4,1
Cellule 1
Mobile 2 Cs2 C8,1 Cs1 C4,2
Mobile 3 Cs3 C8,1 Cs2 C4,1Cellule 2
Mobile 4 Cs4 C8,1 Cs2 C4,3
Problme de pnurie de code et de remplissage de larbre OVSF
C 4n,1 C 4n,1
C 2n,1 C 2n,1
C 4n,2 C 4n,2
C n,1 C n,1
C 4n,3 C 4n,3
C 2n,2 C 2n,2
C 4n,4 C 4n,4
Non optimum Optimum
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Gain de traitement et puissance disponible
Exemple dun SF 8
Signal
dstal de
lusager i
C/I requis
( 6 dB)
Mme
surface
Gain de
traitement
SF = 8 Puissance
totale disponible
niveau
dinterfrence max
Signaux
mis par les
autres mobiles
Signal tal de lusager i
Signal usager dbit + lev
gain de traitement + faible puissance dmission + leveExemple dun SF 4
Signal dstal de
lusager iC/I requis
6 dB
Mme
surface
Gain de
traitement
SF = 4 Puissancetotale
disponible
Signaux
mis par les
autres mobiles
Signal tal de lusager i
Largeur de bande
avant talement
Largeur de bande aprs talement (5 MHz)
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Contrle de puissance
Systme CDMA :
-
chaque usager du rseau est une source dinterfrence pour les autres- ressource partage : puissance dmission- dans le sens montant, contrle de puissance indispensable pour viter les
effets proche-lointain
- ncessaire aussi dans le sens descendant pour limiter linterfrence entrecellule
Mcanisme de rgulation continu
Node B mobile
Transmission de bits TPC transmit power control
Canal ddi DPCCH ddicated physical control channel=
Sens montant
1/ Boucle ferme rapide ( inner loop 0.66 ms) pour rguler le C/I avec une
dynamique de variation de 80 dB (permet de contrer lattnuation due au fading)
2/ Boucle ferme lente ( outer loop pour mettre jour le C/I cible en fonction
de la qualit mesure sur la liaison (BER, )
BER = f(C/I, vitesse du mobile, profil trajet multiple, )
3/ Boucle ouverte partir de paramtres diffuss par le rseau, moins prcis,
uniquement pour les initialisations de puissance (PRACH, PDCH)
UE1
UE2
Forte
interfrence
Faible
interfrence
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Contrle de charge
Contrle de puissance : sens descendant
Moins critique : tous les signaux reus par le mobile proviennent de la mme
source (pas deffet proche lointain)
Boucle ferme rapide (0.66 ms) pour rguler le C/I avec une dynamique de
variation de 30 dB
Boucle ferme lente pour mettre jour le C/I cible en fonction de la qualit
mesure sur la liaison
Charge limite 50%
Niveau
dinterfrence
0 10 20 30 40 50 60
Nombre dutilisateurs par cellule
Pour de hauts niveaux de charge, la rgulation de puissance dcrite
prcdemment peut devenir instable :
- admission nouvel utilisateur augmentation du niveau dinterfrence augmentation de la puissance dmission sur chaque liaison augmentation du niveau global dinterfrence .
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Respiration des cellules
Lorsque le nombre dutilisateurs dans la cellule augmente :- le niveau moyen dinterfrence dans la cellule augmente ;- puissance signal constante sur chaque liaison :
C/I diminue Pour certains mobiles C/I devient infrieur au seuil de fonctionnement les mobiles situs en limite de cellule sont pnaliss en premier
- on peut combattre le phnomne par le contrle de puissance mais la puissance dmissionest borne (cf page prcdente),
- le rayon effectif de la cellule diminue lorsque la charge dans la cellule augmente :phnomne de cell breathing
Couverture et capacit sont donc troitement lies en CDMA
- Charge couverture Rappel : en GSM
- sans saut de frquence couverture = f{taille des cellules}-
avec saut de frquence couverture = f{taille des cellules + charge}
NB : le saut de frquence peut tre vu comme une forme dtalement de spectre
Pour viter linstabilit du contrle de puissance et des trous de couverture dus
de hauts niveaux de trafic, le niveau dinterfrence reu par une station de base
doit tre contrl laide dalgorithmes dadmission et de charge
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Structure des canaux physiques
La trame radio UTRAN
1 slot = 2560 chips
Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14
Une trame radio = 10 ms
La dcoupe en trame ne correspond pas une rpartition des ressources entre
utilisateurs ( TDMA), mais plutt une structuration des donnes mises par unmme usager
Permet notamment lajout de bits de contrle
Canaux physiques mis en jeu lors de la recherche de la cellule
initiale
Procdure excute par le mobile lors de la mise sous tension pour tenter de
sinscrire sur le rseau (IMSI attach)
Dcodage successif de 3 canaux physiques- P-SCH primary synchronisation channel- S-SCH secondary synchronisation channel- CPICH common pilot channel
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Synchronisations slot et trame
Slot 1 Slot 2 Slot 15
Tslot = 2560 cps
CPICH CPICH CPICH
Cp Cp Cp
Csi,1
Csi,2
Csi,1
5
256 cps
1 trame = 10 ms
1re
phase : synchronisation slot dcodage du P-SCH
P-SCH Cp code de synchronisation primaire = suite de 256 chips
- rpte chaque occurrence de slot- transmise lidentique dans toutes les cellules de tous les rseaux UTRAN- balayage par le mobile de toute la bande FDD- corrlation entre le signal reu et le code CP synchronisation slot avec la station de
base la plus proche
- NB : le P-SCH ne supporte pas de canal de transport2
mephase : synchronisation trame dcodage du S-SCH
S-SCH Csicode de synchronisation secondaire = suite de 15 squences de
256 chips
0 i 63 64 suites distinctes
- mis en synchronisme avec le P-SCH- identifie la cellule de manire unique dans une zone gographique donne (planification)- permet la synchronisation trame du mobile- le S-SCH ne supporte pas de canal de transport3
mephase : recherche du code primaire de brouillage dcodage du CPICH
CPICH : suite de 10 symboles pilotes prdfinis (SF = 256)
- mise dans chaque cellule UTRAN ;- embrouille laide du code primaire de brouillage de la cellule- 512 codes de brouillage primaire 64 groupes de 8 codes- un groupe une squence Csi (limitation dela dure de recherche)
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- le CPICH ne supporte pas de canal de transport
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Diffusion des informations systme
Canal P-CCPCH primary common control physical channel
Slot 1 Slot 2 Slot 15
Tslot = 2560 cps
P-CCPCH
Cp Cp Cp
Csi,1
Csi,2
Csi,1
5
256 cps
1 trame = 10 ms
- supporte le canal de transport BCH ( canal balise BCCH en GSM)- contient les informations systme essentielles
identit du rseau informations sur la cellule courante (niveau de puissance max, structure des canaux
communs)
informations sur les cellules voisines (frquence, code primaire, ) informations sur les cellules voisines dautres technologies (CDMA, GSM, )
- paramtres de codage et dtalement invariants doit tre reu par tous les terminaux de la cellule pas de contrle de puissance facteur dtalement 256 (code OVSF = (256, 1)) multiplex en temps avec SCH dbit utile kbps
xx
xx5.13
210256
152)2562560(=
(codage convolutif de rendement )
capacit trs suprieure au GSM (780 bit/s)
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Paging
Canal S-CCPCH
secondary common control physical channel
Supporte les canaux de transport FACH (Forward Access Channel) et PCH
(Paging Channel) canal descendant
1 slot = 2560 chips
TFCI
NTFCIbits
Donnes Nd bits
Pilote
Np bits
Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14
Une trame radio = 10 ms
Contient 3 types dinformations
- des bits de donnes (messages de signalisation issus des couches hautes)- des informations de contrle de la couche physique
rle des bits pilotes : permettre une estimation de la rponse impulsionnelle du canal (connusde lemetteur et du rcepteur)
rle des bits TFCI (transport format combination indicator) : code le(s) format(s) detransport utilis(s) pour le(s) canal(aux) de transport contenu(s) dans la trame courante
TFCI erron trame perdue protection particulire TFCI et bits pilotes rpts chaque slot de la trame 18 formats possibles pour le S-CCPCH selon SF, codage canal, nombre de bits pilotes et
TFCI.
NB : FACH et PCH peuvent tre :- multiplexs sur un mme S-CCPCH- utiliser chacun un canal physique ddi
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Accs alatoire des mobiles
PRACH physical random access channel
Canal MontantPermet laccs alatoire des mobiles (supporte le canal RACH) :
- pour linscription aprs la mise sous tension du mobile- pour la mise jour de localisation- pour tablir une connexion linitiative du mobile- en rponse un message de pagingPeut ventuellement transporter des donnes utilisateurs
-
transmission par paquet faible dbit
Pas de contrle de puissance par le rseau :
- transmission dun prambule spcifique (4096 chips, SF = 256 signature de 16symboles)
- mis dabord puissance minimale puis de + en + fort jusqu acquittement du rseau(sur un canal spcifique dit AICH)
- mission des donnes (dure 10 ou 20 ms, SF = 32 256, soit 150 1200 bits avec un
codage convolutif de taux )
Prambule du RACH
Message du RACH
Pas de rponse sur AICH Rponse sur AICH
Accs alatoire canal collisionn
Les mobiles sont rpartis :
- en temps (15 fentres dmission toutes les 20 ms) mode slotted-aloha- en code (le mobile choisit alatoirement une des signatures disponibles et son code de
channelisation associ)
- les signatures utilisables dans la cellule sont diffuses sur le BCCH- permet de minimiser la probabilit de collision
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Transport des donnes (1)
DPCH dedicated physical data channel
Ressource ddie un usager offrant un dlai de transmission et un dbit
constant
2 sous-canaux physiques :
- le DPDCH Dedicated Physical Data Channel transmet les donnes du plan usager (voix, messages)
transmet les donnes de signalisation issues des couches suprieures
- Le DPCCH Dedicated Physical Control Channel transmet les donnes de contrle spcifiques la couche physique bits pilotes (estimation de la rponse impulsionnelle du canal, profil de trajets
multiples)
bits TPC transmit power control bits TFCI transport format combination indicator bits FBI feedback information uniquement dans le sens montant
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Transport des donnes (2)
Cas du canal DPCH descendant
Les canaux de contrle et de donnes sont multiplexs en temps
1 slot = 2560 chips
DPDCH DPCCH DPDCH DPCCH
Donnes
Nd1 bits
TPC
NTPCbits
TFCI
NTFCIbits
Donnes Nd2 bits
Pilote
Np bits
Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14
Une trame radio = 10 ms
Cette mthode minimise la consommation en code OVSF (important dans le sens descendant :un arbre OVSF pour une cellule)
bits
symboles
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Transport des donnes (3)
Cas du canal DPCH montant
1 slot = 2560 chips
DPDCH Donnes Nd bits
DPCCH
Pilote
Np bits
TFCI
NTFCI
bits
FBI
NFBI
TPC
NTPC
bits
Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14
Une trame radio = 10 ms
Les canaux de contrle et de donnes sont spars sur les voies I et Q de la
chane dmissionDbitDPCCH DbitDPDCH Cch1 Cch2
PDPCCH PDPDCH, le brouillage complexe permet une galisation des puissances sur les voies
I et Q
Cette mthode de multiplexage optimise la consommation nergtique des terminaux(rendement des amplificateurs de puissance)
Cch2Cch1
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Exemples de formats DPCH
DPCH descendant
multiplexage DPDCH et DPCCH
N de
format
SF Dbit en
symbole
Ks/s
Dbit
DPCH
Kb/s
Bits/slot DPDCH
(bits/slots)
DPCCH
(bits/slot)
ND1 ND2 NTPC NTFCI Npilot
0 512 7.5 15 10 0 4 2 0 4
1 512 7.5 15 10 0 2 2 2 4
4 256 15 30 20 2 12 2 0 4
5 256 15 30 20 2 10 2 2 4
10 128 30 60 40 6 24 2 0 8
15 8 480 960 640 120 488 8 8 16
16 4 960 1920 1280 248 1000 8 8 16
Transmission multi-code
- Il existe un format utilisant 3 canaux physiques avec un SF de 4- permet datteindre le dbit utilisateur max (mythique !) de 2.8 Mb/sNB : Si les bits TFCI sont absents, les positions des bits DPDCH sont fixs une position par
dfaut
DPCH montant
DPDCH sur voie I
N de
format
SF Dbit en
symble
Ks/s
Dbit du canal
Kb/s
Bits/trames Bits/slot
0 256 15 15 150 10
1 128 30 30 300 20
4 64 60 60 600 40
5 32 120 120 1200 80
10 16 240 240 2400 160
15 8 480 480 4800 320
16 4 960 960 9600 640
DPDCH sur voie Q
SF Bits/trame Bits/slot Pilotes/slot TPC/slot TFCI/slot FBI/slot
6 2 2 0256 150 10 5 2 2 1
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6 2 0 2
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Traitement de bout en bout par la couchephysique : exemple du service de phonie
Cas dun flux descendant (cf chapitre 3 page 6)
Ici SF=128 soit 4015128
10.10210.84.3 36=
x
xxbits dinformations par slot (codage conv. taux )
Soit 40 = 34 bits utilisables par DCH multiplexs + 4 bits rservs signal pilote + 2 bits contrle de
puissance
TTI DPDCH = 20 ms ; TTI DPCCH = 40 ms
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Traitement de bout en bout par la couchephysique : cas gnral
Blocs de transport Blocs de transport
Ajout du CRC Ajout du CRC
Concatnation/segmentation des transport
Blocks
Concatnation/segmentation des transport
Blocks
Codage canal Codage canal
Egalisation adaptation de dbit
1er entrelacement Ajout des bits DTX
Segmentation trame 1er entrelacement
Adaptation de dbit
Traitement de
niveau
transport
block
ou canal detransport
Segmentation trame
Multiplexage des canaux
de transport
Multiplexage des canaux
de transport
Segmentation canal physique 2me ajout de bits DTX
Segmentation canal physique
Traitement de
niveau
CCtrCH
ou canal
composite
2me entrelacement 2me entrelacement
Etalement Etalement
modulation
traitement de
niveau canal
physique
Modulation
Canal montant Canal descendant
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Dtails des traitements (1)
Codage canal
Selon la qualit requise :- Convolutif (rendement ou 1/3, longueur de contrainte 9) appliqu aux faibles dbits
(voix, )
- Turbo-code gain si codage sur un nombre important de bits => dbits levs
La fonction de concatnation/segmentation plac en amont du codage permet dadapter la taille des
blocs coder aux contraintes du codeur :
- bloc de 504 bits pour le codeur convolutionnel- bloc de 5114 bits pour le codeur turbo- ajout de bits de trane pour purger les registres du codeurCRC :
- dtection des erreurs rsiduelles- demande de rptition de trames errones par la couche RLC
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couche_physique.doc version du 04/03/2002 25
Dtails des traitements (2)
Egalisation et adaptation de dbit
Permet dadapter la taille des blocs cods aux dimensions des canaux physiques
de linterface radio
Canaux de transport dbit usager
Le rseau choisit un SF permettant un dbit le plus proche possible du dbit
demand (en sortie du codage canal)
- Si dbit suprieur : rptition de certains bits- Si dbit infrieur : poinonnage de certains bits
Entrelacement optimisation des mcanismes de correction
derreur
Mthode dentrelacement :
- rangement des bits par ligne dans une matrice- permutation des colonnes- lecture de bits par colonneDeux niveaux :
- canal de transport (inter-trame)Effectu pour un bloc de transport avant la segmentation => si une trame est entache derreurs,
aprs dsentrelacement celles-ci sont rparties sur lensemble du transport block
Importance du TTI : TTI lev => transport block rparti sur plusieurs trames => entrelacement plus
efficace
Ex : TTI = 80 ms=> 1 transport block = 8 trames radio
- canal physique (intra-trame)Effectu sur chaque trame avant le dcoupage en slot : si un slot est entach derreur, celles-ci sont
ensuite rparties sur lensemble de la trame
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Adaptation aux fluctuations de dbitsource
3 niveaux possibles dadaptation :
- au niveau canal logique canal de transport si baisse de dbit possibilit de basculer le canal logique de trafic DTCH dun canal de
transport ddi DCH vers un canal partag DSCH
Gr par la couche RRC (ct rseau)- au niveau canal de transport
A chaque TTI, choix du TF le plus adapt parmi le TFS Exemple : en cas de baisse de dbit, diminution de la taille de transport block
- au niveau canal physique flux montant : le SF du DPDCH peut varier dune trame lautre le SF est indiqu dans le TFCI transmis sur le DPDCH associ (dont le SF est
constant)
flux descendant : le SF reste constant, interruption temporaire de la transmission parinsertion de bits DTX
NB : cette mthode nest pas utilise sur la voie montante pour des aspects CEM