La technique CDMA

LA TECHNIQUE CDMA

Dans les systèmes cellulaires de première génération (par exemples TACS ou Total Access Communication System, et AMPS ou American Mobile Phone System), la technique FDMA (Frequency Division Multiple Access) a été utilisée pour permettre aux nombreux utilisateurs de communiquer simultanément avec une station de base du réseau. En FDMA, chaque utilisateur dispose de sa propre fréquence radio pour un appel dans sa zone locale. Cette fréquence peut être employée par un autre utilisateur quand la distance entre les deux utilisateurs est suffisante pour éviter toute interférence entre eux ; c’est la notion de réutilisation de fréquence cellulaire. Dans les systèmes de deuxième génération (comme en GSM et en Digital AMPS), différents utilisateurs ont été séparés temporellement pour produire le TDMA (Time Division Multiple Access). Pour ces nouveaux systèmes, différents utilisateurs peuvent se partager la même fréquence porteuse dans une même zone locale, mais seulement un utilisateur peut émettre ou recevoir à un moment quelconque dans le temps.

Dans les 3èmes générations, par exemple en Universal Mobile Telecommunications System ou UMTS (Annexe 1), les différents utilisateurs dans la même zone locale sont distingués au moyen d’un code d’étalement. Cela veut dire que tous les utilisateurs peuvent accéder à la même fréquence simultanément. Ceci est appelé Code Division Multiple Access ou CDMA. Le code d’étalement sera unique pour un usager particulier dans une zone locale et il est employé pour étaler le signal en bande de base de l’utilisateur en un signal large bande. A la réception, seul l’utilisateur disposant du code d’étalement pourra désétaler le signal radio, avant que les données ne soient récupérées du signal ainsi transmis.

Théorie du CDMA

Dans le domaine du temps, l’étalement consiste simplement à multiplier un signal de débit inférieur par un code d’étalement à débit plus élevé [1].

Le signal transmis sera utilisé pour moduler une fréquence porteuse (Radio Frequency ou RF), qui sera transmise via une antenne appropriée à la fréquence fc . Au récepteur CDMA, le signal de l’utilisateur est récupéré par désétalement du signal reçu. L’action consiste à multiplier le signal reçu par le même code d’étalement de l’émetteur.

Le signal de l’utilisateur voulu (celui dont le code a été utilisé pour le désétalement) a sa largeur de bande diminuée tels que les premiers nuls du spectre se produisent à ± 1/T d’un côté et de l’autre de la porteuse, T étant la période de bit de données de l’utilisateur, ou d’un symbole. Les caractéristiques spectrales des signaux des autres utilisateurs (les utilisateurs avec différents codes utilisés pour le désétalement) restent inchangées et ces signaux ne sont pas désétalés.

En appliquant un filtre passe-bande au signal désétalé, nous pouvons rejeter la plupart des puissances des autres utilisateurs, tout en laissant passer la majeure partie de la puissance du signal voulu. Cette opération augmente d’une manière significative le rapport Signal-to-Interference Ratio (SIR) du signal voulu, lequel permettra la récupération des données de l’utilisateur en présence d’interférence des autres utilisateurs.

Voici le résultat d’une simulation effectué sur le logiciel matlab illustrant le système de codage et de décodage en CDMA :

Le bit #1 est issu de la Station B
Le bit #2 est issu de la Station A
Le bit #3 est issu de la Station C
Le bit #4 est issu de la Station C
Le bit #5 est issu de la Station C
Le bit #6 est issu de la Station C
Le bit #7 est issu de la Station C
Le bit #8 est issu de la Station B
Le bit #9 est issu de la Station B
Le bit #10 est issu de la Station A
Le bit #11 est issu de la Station C
Le bit #12 est issu de la Station A
Le bit #13 est issu de la Station A
Le bit #14 est issu de la Station A
Le bit #15 est issu de la Station A
Le bit #16 est issu de la Station C
Le bit #17 est issu de la Station C
Le bit #18 est issu de la Station A
Le bit #19 est issu de la Station C
Le bit #20 est issu de la Station A

Cette programmation (Annexe 2) confirme le principe théorique du CDMA ; c’est-à-dire l’importance de la connaissance de la séquence de chips produite à la source par le destinataire afin de réaliser l’opération de décodage du signal lui ayant été convenablement adressé. Pour les systèmes CDMA, un paramètre clé est le gain de traitement ou processing gain. C’est le rapport entre le débit chip Dc (débit chip du code d’étalement) et le débit de données utilisateur Dd . Ce paramètre nous indique de combien nous devons augmenter le SIR du signal voulu pendant la procédure de désétalement. Typiquement, sa valeur en décibels est comprise entre 10 et 30 dB, soit des rapports de 10 à 1000.

Etalement de spectre

Les techniques large bande exploitent surtout la capacité du canal. Le but étant d’augmenter la
bande de fréquence du signal afin d’avoir un meilleur taux de transfert de données. Nous
distinguons 3 types de technique d’étalement de spectre qui sont [2] :

Time Hopping – Spectrum Spreading (TH-SS)

Le terminal émet de façon continue dans le temps en utilisant toute la bande étalée. D’autres terminaux peuvent alors émettre dans les fenêtres temporelles laissées vacantes. L’accès multiple se réalise dans le temps.

Frequency Hopping – Spectrum Spreading (FH-SS)

Le signal est commuté rapidement et de façon pseudo-aléatoire entre les différentes fréquences dans la bande allouée. En d’autres termes, le terminal émet autour d’une fréquence particulière (en bande étroite), et saute de fréquence en fréquence pendant la communication. Les autres terminaux font de même sur des fréquences différentes, ce qui occupe l’ensemble de la bande étalée. L’accès multiple se réalise dans le domaine des fréquences. Les sauts se font à intervalles de temps fixes ; et à chaque intervalle successif, une nouvelle fréquence est utilisée. Le FH-SS, tout comme le TH-SS, utilisent des codes pour réaliser les sauts. La séquence des canaux utilisés est imposée par le code d’étalement.

Direct Sequence – Spectrum Spreading (DS-SS)

L’étalement de spectre par séquence directe ne se base pas sur une technique de sauts comme précédemment, mais sur l’allocation d’un code spécifique à chaque terminal. Chaque bit du signal original est représenté par une séquence de bits dans le signal transmis. L’étalement est proportionnel au nombre de bits utilisés. La communication se fait alors sur toute la bande étalée, à chaque instant, ce qui permet d’améliorer les débits. Les terminaux sont alors discriminés dans l’espace des codes, qui doivent être choisis avec les propriétés de corrélation adéquates : autocorrélation élevée pour séparer les trajets multiples ; et intercorrélation quasi nulle pour la séparation des différents canaux. Le récepteur sait générer le même code d’étalement et le corrèle au signal reçu pour en extraire les données. Cette propriété fait du DS-SS une technique privilégiée pour l’accès multiple et fait partie des techniques CDMA. On trouve notamment le terme de DS-CDMA. L’étalement en DS-SS a de bonnes performances contre les brouilleurs à bande étroite. Ceci s’explique par le fait que les opérations de codage et de décodage sont identiques, provoquant un étalement à l’émission puis un désétalement en réception du signal utile. Le brouilleur apparaissant dans le canal est alors uniquement étalé en réception par l’opération de décodage. La puissance du signal du brouilleur est donc étalée et se confond alors avec du bruit. Par contre, les bruits large bande se superposent au signal étalé et dégradent les performances du système [2].

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LA TECHNIQUE CDMA
1.1 Théorie du CDMA
1.2 Etalement de spectre
1.2.1 Time Hopping – Spectrum Spreading (TH-SS)
1.2.2 Frequency Hopping – Spectrum Spreading (FH-SS)
1.2.3 Direct Sequence – Spectrum Spreading (DS-SS)
1.3 Principe
1.4 Caractéristiques
CHAPITRE 2 MODE UTRA – FDD
2.1 Principe
2.2 Codes d’étalement
2.2.1 Code de canalisation
2.2.2 Code d’embrouillage
2.3 Canaux physiques communs
2.3.1 Canaux de synchronisation
2.3.2 Canaux pilotes
2.3.3 Canaux de contrôle communs
2.3.3.1. Canaux physiques de contrôle commun
2.3.3.2. Canaux indicateurs
2.3.3.3. Canal d’accès aléatoire
2.4 Canaux physiques dédiés
2.4.1 Canaux dédiés en downlink
2.4.2 Canaux dédiés en uplink
CHAPITRE 3 MODE UTRA – TDD
3.1 Principe
3.2 Canaux de transport
3.3 Canaux physiques
3.3.1 Structure de trame
3.3.2 Canaux dédiés
3.3.3 Canaux communs
CONCLUSION
ANNEXES
ANNEXE 1 Le réseau UMTS
ANNEXE 2 Simulation pour le CDMA (cdma.m)
ANNEXE 3 Simulation pour le code d’étalement (execution.m)
ANNEXE 4 Génération des m – séquences
ANNEXE 5 Etalement temporel
ANNEXE 6 Simulation en UTRA TDD sur le site web des utilisateurs de matlab
BIBLIOGRAPHIE
PAGE DE RENSEIGNEMENTS
RESUME
ABSTRACT