Codage spatio-temporel pour les systèmes CDMA

Dans la partie précédente, différentes techniques de diversité de transmission pour des systèmes CDMA ont été présentées. Celles-ci autorisent un gain en diversité maximum mais pas de gain de codage.

Dans cette partie, nous introduisons le codage spatio-temporel pour ces systèmes permettant à la fois un gain en diversité et de codage. Dans un premier temps, il est présenté la technologie HSDPA20qui peut être vue comme une extension de la technique W-CDMA21aux systèmes multi- antennes. Puis, ce schéma est associé au codage spatio-temporel en treillis (CSTT), définissant un système codé dans un contexte multi-usagers.

Technologie HSDPA

Afin d’obtenir un gain en diversité et en débit, la technologie HSDPA [108] a été proposée par le groupe de travail 3GPP22 afin d’accroître le débit de données sur la voie descendante (station de base vers station mobile). Cette technique substitue deux caractéristiques importantes de la norme UTRAN23, débit et contrôle de puissance variables, par une technique de codage et de modulation adaptée (AMC24) aux variations du canal MIMO. Dans un tel système, les usagers en position favorable (proches de la station de base) se voient assigner des modulations complexes associées à des codes convolutifs à taux élevé (e.g. modulation 64 QAM avec des turbo codes de taux R = 3₄), tandis que les usagers en position défavorable (proches des limites d’une cellule) adaptent leur lien en appliquant une modulation et un taux de codage faibles (e.g. modulation QPSK avec R = 1₂).

Transmetteur

Ce module procède à un traitement spatio-temporel par couches, en boucle ouverte.

La figure 1.10 illustre la structure de l’émetteur pour la technique d’accès HSDPA. Le flux initial de symboles est démultiplexé en nT× N − 1 sous-flux. Ceux-ci sont rassemblés par groupes

comportant chacun n_T sous-flux qui sont étalés par le même code d’étalement s_i, pour i = 1, . . . , N − 1. Le paramètre N constitue le facteur d’étalement des symboles usagers. Suite à l’étalement spectral, les nT × N − 1 signaux sont entrelacés de telle façon que les symboles étalés

par un même code soient transmis par des antennes distinctes. Les différents sous-flux suite à l’entrelacement spatial sont additionnés entre eux. Pour chaque branche émettrice, une séquence de symboles d’apprentissage (séquence pilote) est introduite pour faciliter l’estimation du canal MIMO en réception. Les codes utilisés pour étaler ces séquences sont orthogonaux entre eux pour permettre une détection cohérente. Un code parmi les N codes disponibles est utilisé pour la génération des nT codes.

Récepteur

L’architecture du récepteur est illustrée par la figure 1.11. Les signaux transmis sont perturbés par le canal MIMO et reçus par un réseau de nR antennes. Les composantes essentielles du

récepteur portent sur un module de synchronisation temporelle (filtre adapté aux codes employés à l’émission), un récepteur RAKE multi-dimensionnel effectuant le désétalement des signaux reçus,

20. High Speed Downlink Packet Access. 21. Wideband CDMA.

22. 3rd Generation Partnership Project. 23. UMTS Terrestrial Radio Access Network. 24. Adaptative Modulation and Coding.

Figure 1.10 – Architecture de l’émetteur composé de nT antennes pour la technologie HSDPA.

Figure 1.11 – Structure du récepteur HSDPA.

un module d’estimation du canal MIMO et un circuit de décodage des symboles pour lequel différents algorithmes peuvent être implantés (cf. partie 1.3.2). Ensuite, le flux initial transmis est reconstitué en procédant à une conversion parallèle/série.

Pour des schémas de modulation complexes et un taux de codage élevé, les performances d’un tel système avoisinent plusieurs dizaines de Mbps pour les communications mobiles. La technologie d’accès HSDPA est présentée comme étant le système de téléphonie mobile pour la 3.5G.

Afin d’améliorer les performances de ce système, celui-ci peut être combiné au CSTT, comme présenté dans la partie suivante.

Technologie CDMA combinée au CSTT

Soit un système CDMA, avec K usagers dans une cellule, couplé aux techniques de codage spatio-temporel en treillis (cf. annexe C).

Transmetteur

Figure 1.12 – Structure de l’émetteur (station de base) avec CSTT couplé à la technique d’accès W-CDMA, pour K usagers.

gers. Pour chacun d’eux, la séquence binaire {bk} est encodée par un codeur spatio-temporel en

treillis, en symboles (e.g. QPSK). Pour le kième usager, le vecteur x_k constitué de n_T symboles, x1_k x2_k . . . xnT

k

T

est démultiplexé en n_T signaux étalés par la même séquence d’étalement, propre à l’usager. Le iième symbole xi_k est étalé par la séquence sk :

di_k= xi_k.sk. (1.67)

Le signal di_k est ensuite additionné et transmis de telle façon que deux signaux étalés par le même code ne puissent être transmis par la même antenne. Pour l’ensemble des usagers et des symboles étalés, cette opération peut être vue comme un entrelacement dans l’espace et le temps. En disposant d’un réseau d’antennes en réception, l’expression du signal reçu à la jièmeantenne est fournie par :

yj(t) = K X k=1 nT X i=1 Lk j,i X l=1 hk,l_j,i.di_k(t − τ_j,ik,l) + nj(t), (1.68) avec Lk_j,i, le nombre de trajets du canal associant la iième antenne émettrice et la jième antenne réceptrice. Les paramètres hk,l_j,i et τ_j,ik,l représentent respectivement le gain complexe et le retard associé au lième trajet. Il est généralement considéré, pour des raisons de simplification, que le nombre de trajets et les retards associés sont identiques d’un sous-canal à un autre composant le canal MIMO (τ_j,ik,l = τk,l).

Récepteur

Pour un récepteur multi-usagers spatio-temporel basé sur le critère du MV, le détecteur sé- lectionne l’estimé des symboles transmis pour l’ensemble des usagers et des antennes émettrices, représenté par le vecteur_bx de taille 1 × nTK :

b x = x_b1 1 . . . bx 1 K . . . xb nT 1 . . . xb nT K
. (1.69)

Ce type de détecteur complexifie le traitement en réception. Une alternative à ce détecteur re- groupe un filtre adapté spatio-temporel et un décodeur CSTT pour chaque usager, ce qui simplifie la structure du récepteur.

Figure 1.13 – Structure du récepteur CSTT-WCDMA intégrant un filtre adapté spatio-temporel.

La figure 1.13 présente la structure du détecteur. Le vecteur _by_k représente la sortie du filtre adapté pour le kième usager. Ce vecteur se compose de nT signaux : yb

1 k . . . by nT k
T . Chaque signaly_bki représente la statistique de décision du signal issu de la iième antenne. Cette sortie est obtenue en désétalant les nR× Lp signaux reçus, pondérés ensuite par le conjugué des coefficients

du canal correspondant et en sommant les nR× Lp répliques. Le vecteur ybk est ensuite traité par le décodeur CSTT qui estime la séquence

n bb_k

o

transmise. Ce décodeur utilise par exemple l’algorithme de Viterbi.

Ce récepteur multi-usagers (ou multi-codes pour un même usager), basé principalement sur un filtre adapté spatio-temporel, démodule le signal reçu en s’appuyant sur les codes d’étalement, en supposant une synchronisation temporelle et une connaissance du canal MIMO parfaites. Ce- pendant, ses performances se dégradent en raison des interférences dues aux multiples trajets, usagers et antennes. Afin de réduire celles-ci, le détecteur basé sur le critère de l’EQMM consti- tue une alternative intéressante. Celui-ci applique une transformation linéaire aux vecteurs y de telle façon que l’erreur au sens des moindres carrés entre le vecteur résultant et le vecteur x soit minimale. Du point de vue structurel, un étage supplémentaire, appliquant cette transformation, est ajouté en sortie du filtre adapté de la figure 1.13. Néanmoins, ce récepteur ne supprime pas complètement l’interférence due à l’accès multiple.

Comparé aux deux schémas de détection introduits précédemment, le détecteur EQMM ité- ratif spatio-temporel se distingue par de meilleures performances. Le principe consiste à estimer l’interférence pour la iième antenne émettrice et le kième usager, en régénérant et en additionnant les signaux de tous les usagers pour toutes les antennes, excepté le signal du kièmeusager provenant de la iième antenne. Après chaque itération de décodage, les sorties des décodeurs sont utilisées pour mettre à jour les probabilités à priori sur les symboles transmis. Celles-ci sont employées pour déterminer, à chaque itération, les coefficients des filtres directs et des filtres à retour de décision.