Présentation de la technologie W-CDMA

A la différence des systèmes radio-mobiles des générations précédentes, l’UMTS utilise une nouvelle méthode d’accès multiple à la ressource radio, basée sur le principe d’étalement de spectre, mise en œuvre en appliquant la technique d’accès W-CDMA. Il existe trois standards pour l’interface radio de l’UMTS :

– le WCDMA-FDD14: les stations de base ne sont pas synchronisées entre elles. Cette tech- nologie travaille en mode FDD : la voie montante (station mobile à station de base) et la voie descendante (station de base à station mobile) utilisent chacune une fréquence porteuse différente, ou en d’autres termes des bandes de fréquences disjointes,

– le WCDMA-TDD15 : les voies montante et descendante utilisent la même porteuse et sont multiplexées dans le temps,

7. Global System for Mobile Communication. 8. Personal Digital Cellular.

9. US-Time Division Multiple Access. 10. General Packet Radio Service.

11. Enhanced Data Rate for GSM Evolution. 12. Universal Mobile Telecommunications System.

13. Third Generation Partnershipt Project : regroupement des principaux acteurs des télécommunications 14. WCDMA-Frequency Division Duplex.

– le CDMA2000 : fonctionne de manière synchrone et utilise la technique de transmission multi-porteuses.

Dans la suite du document, seule la technologie W-CDMA en mode FDD est considérée.

f t Multiplexage par code Ui⇔ ci c1 c2 c3 Multiplexage fréquentiel Ui⇔ fi Multiplexage temporel Ui⇔ RectT(t+(nN U+i)T) FDMA

frequency division multiple access

S(f,t) f f f1 f2 f1 f1 t t NU.T T S(f,t) TDMA time division multiple access

CDMA code division multipl access

Figure 3.1 – Techniques d’accès multiple : FDMA, TDMA et CDMA.

L’étalement de spectre consiste à étaler les symboles d’information de l’usager dans une large bande de fréquence par un code pseudo-aléatoire unique, appelé code d’étalement, alloué à chaque utilisateur et permettant ainsi de les différencier.

La technologie CDMA se différencie des méthodes classiques utilisant la répartition de la bande de fréquence, FDMA16, ou dans le temps, TDMA17, par le fait que les usagers émettent simultanément sur la même bande de fréquence (cf. figure 3.1). Cette technologie appliquée dans une large bande (W-CDMA [55]) autorise des débits variables pouvant atteindre 2 Mbps, en s’appuyant sur la longueur paramétrable des codes utilisés. Non illustrée sur la figure 3.1, une technique d’accès récente, dénommée SDMA18 [65], consiste à séparer les usagers spatialement. La mise en œuvre de celle-ci est délicate puisque, pour des communications mobiles, l’usager peut changer de position, durant une communication. En pratique, cette technique est combinée avec celles citées précédemment.

Emission

Le principe de base de l’étalement de spectre consiste à multiplier le signal utile par un code (ou bruit) pseudo-aléatoire. Deux méthodes sont possibles :

– étalement par saut de fréquences (FHS19_{) : décalage de la fréquence porteuse de manière}

aléatoire,

– étalement par séquence directe (DSS20) : modulation du message en amplitude.

La technique d’accès W-CDMA utilise dans notre cas la méthode d’étalement par séquence directe. La figure 3.2 illustre le procédé. Le signal x[q], issu de l’étalement de spectre, est obtenu en multipliant le signal portant l’information s[n] par un code pseudo aléatoire c[n, q] spécifique à l’usager.

Ce signal, de type NRZ (Non Retour à Zéro), est caractérisé par une fréquence élevée, appelée fréquence chip (f_c = _T1

c) et fixée à 3,84 MHz. Il découpe le message s[n] en chips et élargit en

conséquence son spectre (cf. figure 3.3). La largeur de spectre du signal c[n, q] est notée B_c. Le signal s[n] possède une fréquence, appelée fréquence symbole, fs = _T1_s et une largeur de spectre

notée B_s. La fréquence du signal étalé x[q] devient f_c et sa largeur de spectre équivaut à B_c. Le rapport Ts

Tc définit le facteur d’étalement (FE) qui dans l’exemple donné (cf. figure 3.2), vaut 8.

Différents débits de symboles sont obtenus en modifiant ce paramètre. Néanmoins, il est à noter

16. Frequency Division Multiple Access. 17. Time Division Multiple Access. 18. Space Division Multiple Access. 19. Frequency-Hopped Spreading. 20. Direct Sequence Spreading.

Figure 3.2 – Représentation simplifiée d’un système CDMA basé sur l’étalement de spectre par séquence directe.

Figure 3.3 – Représentation de l’étalement de spectre pour la technologie CDMA.

que pour des facteurs de valeur faible (e.g. F E = 4), les performances du système peuvent se dégrader, dans un canal dispersif en temps, en raison de l’interférence entre trajets [57].

Réception

Le processus de réception consiste d’abord à désétaler le signal reçu y[q] en multipliant celui- ci par le conjugué de la séquence utilisée à l’émission, c∗[n, q]. Cette opération est réalisée en exécutant un corrélateur qui procède à l’intégration sur FE chips (soit une période symbole Ts),

pour générer la statistique z[n] utilisée pour retrouver le signal originel s[n]. Le corrélateur doit être parfaitement synchronisé avec la séquence c∗[n, q].

Ce résultat est pondéré par un coefficient complexe21 afin de compenser l’effet du canal et une décision est prise pour déterminer le symbole émis. Lorsque la séquence pseudo-aléatoire est parfaitement synchronisée avec la même séquence contenue dans le signal reçu, l’énergie du symbole émis retrouve sa bande d’origine Bs. Les interférences reçues sont étalées par le corrélateur

sur la bande Bcet leur puissance est minimisée sur la bande utile. Les signaux des autres usagers

apparaissent comme un bruit blanc après désétalement puisqu’ils restent en bande large.

L’intérêt et les caractéristiques des techniques d’étalement de spectre peuvent être détaillés comme suit :

– un accès multiple : la corrélation entre les codes des différents usagers est faible, ce qui permet au récepteur de les différencier. La puissance du signal désétalé est plus grande que celle des interférences induites par les signaux des autres usagers ;

– une protection contre les interférences dues aux multiples trajets : les communi- cations mobiles dans des environnements riches en diffuseurs se caractérisent par des canaux induisant la réception de multiples trajets du signal transmis. Au récepteur, l’addition des trajets peut être constructive ou destructive (évanouissement) à des instants aléatoires. Au cours de l’étape de désétalement, les versions retardées sont traitées comme des interférences

puisque celles-ci n’apporteront qu’une faible contribution en puissance dans la bande du si- gnal utile. Par la suite, nous exploiterons, via un récepteur râteau22 (ou rake), la diversité de parcours (propre aux signaux à large bande) du signal transmis pour obtenir un meilleur RSB ;

– une confidentialité : le signal transmis peut être décodé uniquement dans le cas où le récepteur connaît le code utilisé à l’émission. La confidentialité des messages transmis est ainsi assurée ;

– un rejet des interférences : au récepteur, le signal reçu est multiplié par le code d’étale- ment et retrouve sa bande étroite. S’il est reçu en présence d’interférences qui ont une bande étroite, la puissance de ces dernières est dispersée sur une large bande. Ainsi, la puissance des interférences dans la bande du signal utile est négligeable ;

– une faible probabilité d’interception : en raison de la faible densité spectrale, le signal dont le spectre est étalé, devient difficile à détecter par un autre utilisateur ;

– une mise en œuvre facilitée : le signal à transmettre est simplement multiplié par un code et en réception, ce signal est intégré pour générer les statistiques de décision.

L’intérêt principal des systèmes CDMA porte sur la possibilité de faire coexister plusieurs usagers dans un même environnement, suivant une technique d’accès à la ressource radio relati- vement simple à mettre en œuvre. Les différents usagers se distinguent entre eux par des codes d’étalement orthogonaux. Ces codes accroissent artificiellement la bande passante du signal utile. Néanmoins, si le nombre d’usagers, et donc de codes, dans une même cellule est élevé, l’interfé- rence due à l’accès multiple peut fortement dégrader les performances de ce système, à plus forte raison pour des facteurs d’étalement faibles [26]. De plus, les codes d’étalement constituent une ressource limitée.

Après avoir présenté de manière générale la technique d’accès W-CDMA, la mise en œuvre de celle-ci dans la norme UMTS est introduite dans la partie suivante.