Introduction à l`UMTS

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Introduction à l'UMTS
GSM / CDMA-UMTS ESME-Sudria 2004/2005
Objectifs 3G
• Débits élevés:
– 144Kbps : zone rurale.
– 384Kbps : zone semi-urbaine (vitesse < 120 km/h).
– 2Mbps : couverture limitée (piétons).
• Intégration de services:
– débits multiples.
– débits variables sur une connexion.
• Accès paquets efficace.
• Possibilité d'utilisation de techniques d'amélioration
de capacité:
– détection multi-utilisateurs (MUD), suppression
d'interférences.
– antennes adaptatives.
• Compatibilité avec les systèmes 2G.
Réseau UMTS
[Source : ATT Wireless WhitePaper]
Interface Radio : Techniques d'accès multiples
f
Accès FDMA
f1
Usager 1
f2
Usager 2
Accès TDMA
f
f
f3
Usager 3
t
t
Usager 1 Usager 2 Usager 3
Accès CDMA
code
f
C1
C2
Usager 1
Usager 2
Usager 3
C3
t
Techniques d'accès multiples : rappels
Techniques d'accès multiples : rappels
Multiplexage sur voie radio
– TDD : une seule fréquence
alternativement dans chaque sens:
• flexibilité dans allocation de
spectre .
• débits asymétriques .
• synchronisation plus complexe .
– même point de basculement
up/down dans tout le réseau.
– ⇒ synchronisation de BS.
– ⇒ même niveau d'asymétrie
dans tout le réseau.
Point de basculement entre 2
cellules adjacentes
– FDD : émission/réception simultanée
• bien adapté aux débits symétriques .
• allocation de spectre non optimisée .
– FDD plus avancé que TDD au 3GPP.
Etalement de spectre à séquence directe
Codes d'étalement
• Facteur d'étalement ou Spreading
Factor (SF):
• Autocorrélation
⇒ synchronisation du code.
• Intercorrélation
⇒ séparation des canaux:
un canal = un code PN.
Séquences PN
• Code PN: séquence pseudo-aléatoire
obtenue à partir d'un registre à décalage
n étages.
• Séquence M: séquence de longueur
maximale ⇒ période de la séquence :
N=2n - 1.
• Propriétés des séquences M:
– le nombre de 1 et de 0 est quasiment
identique.
– la probabilité d'une suite de 1 ou de 0
de longueur N1 est égale à 2-N1.
– autocorrélation:
– intercorrélation:
Codes orthogonaux
• Intercorrélation des codes
orthogonaux nulle si les codes sont
synchronisés:
⇒ couplage avec un code PN pour la
synchronisation.
• Utilisation de la matrice de
Hadamard:
– construction récursive.
– 1 ligne de HN = 1 code.
Codes orthogonaux de longueur variable (OVSF)
Gain de traitement et puissance disponible
– Exemple SF ≈ 8
– signal usager à débit + élevé
– Exemple SF ≈ 4
• ⇒ gain de traitement + faible.
• ⇒ puissance d'émission + élevée.
Utilisation des codes
• Etalement de spectre à séquence directe.
• UMTS : "Chip Rate" fixe de 3.84 Mcps.
– (un chip ≈ élément de code représentant un bit).
• IS-95: chip rate fixe de 1.288 Mcps.
• CDMA-2000: chip rate variable, multiple de celui utilisé dans IS-95.
Codes utilisés dans l'UTRAN
• Deux types de codes:
– codes de channelisation OVSF.
– codes de brouillage.
• OVSF : "orthogonal variable spreading factor" de type WalshHadamard.
Codes de brouillage (1/2)
• Limites des codes OVSF:
– pas des séquences pseudo-aléatoires : pas forcément d'étalement de
spectre.
– Orthogonalité seulement pour séquences alignées ⇒ difficulté liée à la
non-synchronisation des mobiles (uplink).
– ⇒ nécessité d'un 2ème type de codes : ceux de "brouillage".
Codes de brouillage (2/2)
•
Principe d'allocation : downlink
–
–
–
–
•
un code de channelisation par canal physique.
totalité de l'arbre OVSF disponible.
Un code de brouillage par cellule ⇒ codes de brouillage distinguent les cellules entre elles.
512 codes disponibles ⇒ contrainte sur planification du réseau (cellules proches ⇒ codes
différents).
Principe d'allocation : uplink
–
–
–
–
un code de channelisation par canal physique.
Totalité de l'arbre OVSF disponible.
Un code de brouillage par mobile ⇒ codes de brouillage distinguent les mobiles entre eux.
224 codes disponibles ⇒ pas de contrainte sur planification entre mobiles.
Contrôle de puissance
• Système CDMA:
– chaque usager du réseau est une source d'interférence pour les
autres.
– Ressource partagée : puissance d'émission.
– Uplink: contrôle de puissance indispensable pour éviter les effets
proche-lointain.
– Downlink: nécessaire pour limiter l'interférence entre cellules.
Structure des canaux physiques
• Recherche de cellule initiale:
• décodage de 3 canaux successifs
– P-SCH primary synchronisation channel.
– S-SCH secondary synchronisation channel.
– CPICH common pilot channel.
Synchronisation slot et trame
• 1ère phase: synchronisation slot - décodage du P-SCH.
• 2ème phase: synchronisation trame - décodage du S-SCH.
• 3ème phase: recherche du code primaire de brouillage, cad décodage
du CPICH (suite de 10 symboles pilotes prédéfinis).
Informations système
• Canal P-CCPCH: Primary common control physical channel.
– Canal de transport BCH (⇔ canal balise BCCH en GSM).
– Contient les informations système (identité réseau, cellule courante :
puissance max, structure canaux communs…, cellules voisines).
– Paramètres de codage et d'étalement invariants (pas de contrôle de
puissance, SF 256, multiplexé en temps avec SCH).
Transport de données (1/3)
• DPCH : dedicated physical data channel - ressource dédiée à un
usager ⇒ un délai de transmission et un débit constant.
• 2 sous-canaux physiques :
– DPDCH (dedicated physical data channel):
• données usager (voix, messages).
• données de signalisation issues des couches supérieures.
– DPCCH (dedicated physical control channel)
•
•
•
•
•
données de contrôle spécifiques à la couche physique.
Bits pilotes.
Bits TPC (transmit power control).
Bits TFCI (transport format combination indicator).
Bits FBI (feedback information - uplink).
• DPCH downlink:
• DPCH uplink:
Traitement de la couche physique : cas général (1/2)
canal composite ou CCtrCh
Traitement de la couche physique : cas général (2/2)
canal composite ou CCtrCh
Traitement de la couche physique : exemple phonie
Récepteur : "RAKE receiver"
[Source UT Dallas]
• Rotation du signal par le canal
(phase et amplitude quelconque).
• symboles QPSK transportent des
informations en phase.
• énergie séparée sur plusieurs doigts
⇒ recombinaison ("combining").
• Recombinaison corrige la rotation
de phase due au canal, et utilise les
estimations d'amplitude du canal
pour compenser les composantes.
[Source UT Dallas]
[Source UT Dallas]
• Récepteur RAKE doit disposer des informations:
–
–
–
–
retards multi-trajets ⇒ synchronisation en temps et retard ("time-delay").
Phases des composantes multi-trajets ⇒ synchronisation de la phase porteuse.
Amplitudes des composantes multi-trajets ⇒ "amplitude tracking".
nombre de composantes multi-trajets ⇒ RAKE allocation.
• Synchronisation "time-delay" : basée sur les corrélations (technique "delay
tracking" effectuée par des boucles feedback (PLL, DLL).
• Les PLL classiques ne peuvent pas être utilisées pour la recherche de phase
et d'amplitude de la porteuse (canaux de profil "fading").
Récepteur : "RAKE receiver" - implémentation
• En pratique, les fonctionnalités suivantes sont nécessaires pour la
synchronisation du RAKE:
– Boucle AGC ou "Automatic Gain Control" (pour conserver la gamme
dynamique du convertisseur A/D).
– Boucle AFC ou "Automatic Frequency Control" (pour conserver le décalage de
l'oscillateur local).
– Acquisition et scan de la réponse impulsionnelle du canal (pour effectuer
l'allocation des "doigts" du récepteur RAKE).
– "Channel Delay tracking" (pour ajuster les composantes multi-trajets).
Récepteur : "RAKE receiver" - implémentation
• Fonctionnement linéaire et à large gamme dynamique pour les composantes
RF et IF.
– (large bande de 5MHz et interférences propres au système CDMA).
• Boucle AGC doit être rapide et précise, afin de préserver le récepteur dans
une gamme linéaire.
• Convertisseurs AD rapides et à haute résolution.
– (fréquences d'échantillonnage élevées (x10 MHz) et dynamiques élevées
(jusqu'à 80dB).
• Cœur des récepteurs à étalement de spectre : corrélateurs.
– RAKE requiert 4 corrélateurs pour désétalement et 8 corrélateurs pour la
correction de retard.
Soft et Hard Handover
[Source UT Dallas]
[Source UT Dallas]
[Source UT Dallas]
[Source UT Dallas]
[Source UT Dallas]
[Source UT Dallas]
[Source UT Dallas]

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