Introduction au systeme cellulaire CDMA

Après avoir développé tout un ensemble de réseaux cellulaires exploitant les techniques d’accès multiple par répartition de fréquence (Frequence Division Multiple Access) et de temps (Time Division Multiple Access) pour la transmission de flux divers (données numériques, sons, images …), les opérateurs de télécommunication et les fournisseurs de service ont manifesté un vif intérêt pour la mise en œuvre de réseaux sans fils de troisième génération. Le WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) est une des principales technologies pour la mise en œuvre de la téléphonie mobile de troisième génération (3G), qui est basée sur la technologie CDMA(Code Division Multiple Acces). C’est une terminologie de l’UMTS (Universal Mobile Télécommunication Systems) qui décrit une technique d’accès aux liaisons de communication actuellement utilisées dans les systèmes de communication de 3G. L’évolution du système de radiocommunication cellulaire vers le 3G étant conçue pour l’intégration de service. Le système de communication a pour fonction d’établir des liaisons radio entre des utilisateurs mobiles et les stations de base a travers l’interface radio WCDMA. Malgré ses renommées le WCDMA présente des contraintes que les procédures de la couche physique doit résoudre comme le « near far effect », qui se pose en raison des distances des mobiles par rapport au station de base. Les mobiles situés près de la station de base émettant à des puissances élevées entrainent de forte interférence entrainant la dégradation de la capacité du réseau, l’admission d’un nouvel utilisateur étant basée sur le niveau d’interférence. D’autre part les puissances reçues par la station de base pour chaque mobile ne doivent descendre d’un certain seuil cible pour garantir une qualité établie par le réseau. L’adaptation de lien permet de résoudre ce problème en adaptant les paramètres radio en émission afin atteindre une qualité cible en réception et sans plus. Une méthode d’adaptation de lien qui consiste à contrôler la puissance de transmission des mobiles à l’émission à l’aide des algorithmes de contrôle de puissance, pour atteindre le même RSB (Rapport Signal sur Bruit) cible en réception au sein de la station de base pour tous les mobiles, sera proposée dans ce mémoire pour dénouer ce problème.

INTRODUCTION AU SYSTEME CELLULAIRE CDMA 

Le concept cellulaire

Contrairement aux communications filaires où une population ainsi qu’une demande en capacité de plus en plus importantes peuvent être facilement desservies par le déploiement de câbles supplémentaires pour connecter les abonnés aux réseaux, la capacité du spectre radio ne peut pas être étendue arbitrairement. Il faut que le système radio-mobile desserve une région de taille importante (pays voire continent) avec une largeur de bande limitée et avec une densité d’usagers importante et qui a tendance à augmenter. La technique cellulaire consiste à partager la zone de service en un nombre de cellules, qui seront représentées usuellement par une structure hexagonale. Chaque cellule est équipée par une station de base (BS : Base Station) qui s’occupe des appels effectués par les stations mobiles (MS : Mobile Station) présents dans sa zone de couverture géographique. En mettant en œuvre le mécanisme de réutilisation de fréquences, le concept cellulaire permet de résoudre le problème de la bande limitée [1].

Les systèmes de radiophonie cellulaires sont adaptés à des environnements variés, zones urbaines ou rurales, peuvent servir des abonnés piétons ou automobilistes, couvrir des rues ou des autoroutes, et dans certaine mesure l’intérieur des immeubles. Dans les zones urbaines denses, l’opérateur utilise des microcellules de quelques centaines de mètres de rayon, pour écouler un trafic important par unité de surface. Alors que dans les zones rurales faiblement peuplées, les cellules sont de tailles importantes, jusqu’à 30 km, et sont appelées des macrocellules[2]. L’augmentation rapide des abonnées de téléphone cellulaire dans le monde a évidemment montré que la communication sans fil est un moyen efficace pour transférer de l’information de nos jours. Les techniques d’accès multiple par répartition de temps et de fréquence sont deux approches qui ont contribué à cet avancement dans l’industrie des télécommunications. Cependant, le succès répandu de ces systèmes de communication a mené au développement de techniques nouveaux pour faciliter la communication pour les données multimédia, données et vidéo en plus de transmissions de la voix. C’est technique d’accès multiple par répartition de code qui s’est avéré la technologie dominante aujourd’hui dans l’évolution des systèmes de communication mobile vers le troisième génération pour répondre aux besoins croissant des utilisateurs.

Méthodes d’accès multiple 

Dans les réseaux de communication mobile les utilisateurs doivent utiliser la largeur de bande de fréquences allouées par cellule pour la communication entre mobile et station de base de manière optimale. Il s’agit en effet, d’une part de transmettre un maximum de données utiles par unités de temps entre la source et le destinataire, mais également de fixer les règles permettant à tous les émetteurs de communiquer de façon optimale. Il sera donc nécessaire de définir les principes de communication à l’intérieur du médium pour que les utilisateurs puissent se partager le canal. Ces principes basés sur le partage de la ressource sont appelés techniques de méthode d’accès. Historiquement, ils existent trois possibilités de partage [3] :

– le FDMA (Frequency Division Multiple Access) fractionne l’accès au médium par un partage en fréquence de la bande allouée.
– le TDMA (Time Division Multiple Access) partage l’accès au médium dans le temps, on l’appel aussi multiplexage temporelle.
– le CDMA (Carrier Division Multiple Access) permet un accès multiple en nombre d’utilisateurs avec une répartition par code.

Accès multiple par répartition de fréquence

L’accès multiple par répartition de fréquence (FDMA) consiste à diviser la bande passante du canal en N (nombre d’utilisateurs) bandes de fréquences d’intersection nulle, on l’appelle aussi multiplexage en fréquence, il faut donc translater les différents utilisateurs sur ces bandes de fréquences.

Accès multiple par répartition de temps
L’ accès multiple par répartition de temps ou multiplexage temporel (TDMA) utilise le fait que la fréquence d’envoi des bits d’information est plus faible que la capacité du réseau. La technique d’Accès Multiple par Répartition de Temps consiste donc à définir une durée de trame et à décomposer cette dernière en N intervalles de temps encore appelés “times slot”, Ainsi, chaque utilisateur souhaitant transmettre des données se voit allouer un “time slot” particulier dans chaque trame.

Utilisé par la norme de système de radiocommunication mobile de deuxième génération GSM avec une système de transmission numérique, permettant la transmission de données avec un débit maximal de 9,6 kbps. La durée d’une trame dure environ 4.6 ms[1], elle est divisé en 8 times slots de 577µs, le time slot ne revient qu’une fois sur huit. Dans les évolutions du réseau GSM, on peut allouer plusieurs time slot pour un utilisateur.

Ainsi, pour les modes FDMA ou TDMA, le canal de transmission est décomposé en sous canaux indépendants, chaque sous canal étant alloué à un utilisateur. La principale difficulté consiste donc à allouer les ressources libres (sous bandes ou times slot) aux utilisateurs. Pour éviter d’allouer des ressources à des utilisateurs, on peut imaginer un système dans le quelle ces utilisateurs pourraient émettre simultanément sur une même bande de fréquence. Idéalement ces utilisateurs pourraient tirer aléatoirement des séquences au moyen des quelles ils encoderaient les bits qu’ils doivent transmettre. Le récepteur pourrait alors essayer toutes les séquences possibles pour retrouver les trains binaires des différents utilisateurs. Une tel méthode d’accès multiple est appelé Code Division Multiple Accès (CDMA) [3].

Technique d’accès multiple par répartition de code 

La technique d’accès multiple par répartition de code (CDMA) appartient à la classe des multiplexages dit à étalement de spectre, chaque utilisateur émet sur toute la largeur de bande du canal de communication. Afin d’éviter d’avoir à allouer des ressources (surtout lorsque le nombre d’utilisateurs augmente), la solution consiste à permettre l’accès simultané de tous les utilisateurs à la même bande de fréquence. Chaque utilisateur se voit allouer d’une séquence pseudo-aléatoire (ou code d’étalement), au moyen de laquelle il encode les bits ou symboles qu’il doit transmettre [3].

Cette technique offre beaucoup d’avantage comme :
– La résistance aux brouillages et interférences
– La confidentialité (faible probabilité d’interception)
– Un multiplexage adapté au système cellulaire
– Economie de batterie au sein du mobile dans un système cellulaire .

Néanmoins, ce système présente quelque inconvénients, du fait que les codes d’étalements ne sont pas parfaitement orthogonaux, donc le niveau d’interférence à bande étroite augmente proportionnellement aux nombres d’utilisateurs dans la cellule, car les utilisateurs émettent tous sur la même fréquence. Dans tous les cas, le CDMA, grâce à l’étalement de spectre, garantit de meilleures performances. D’où son intégration dans la plupart des normes 3G qui impose donc l’utilisation des techniques d’étalement de spectre [6].

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 INTRODUCTION AU SYSTEME CELLULAIRE CDMA
1.1 Le concept cellulaire
1.2 Méthodes d’accès multiple
1.2.1 Accès multiple par répartition de fréquence
1.2.2 Accès multiple par répartition de temps
1.2.3 Technique d’accès multiple par répartition de code
1.3 Etalement de spectre par séquence directe
1.3.1 Idée de base
1.3.2 Système de base
1.3.3 Propriété des codes
1.3.3.1 Propriété d’ orthogonalités des codes
1.3.3.2 Propriété d’auto-corrélation
1.3.3.3 Propriété d’inter-corrélation
1.3.4 Technique de modulation dans le système DS-CDMA
1.3.5 Méthodes de séparation des utilisateurs dans un système DS-CDMA
1.3.5.1 CDMA asynchrone
1.3.5.2 CDMA synchrone
1.4 Les contraintes de la technologie DS-CDMA
1.4.1 Les interférences
1.4.1.1 Les interférences intercellulaire
1.4.1.2 Les interférences intracellulaire
1.4.2 Les trajets multiples
1.4.3 Problème du « near-far effect »
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 LE SYSTEME MOBILE DE TROISIEME GENERATION WCDMA
2.1 Organisme de normalisation de la troisième génération
2.2 Objectif
2.3 Caractéristiques du réseau UMTS
2.3.1 Les classes de service
2.3.1.1 Conversationnelle (Conversationnal)
2.3.1.2 Diffusion en flux tendu (Streaming)
2.3.1.3 Interactive (Interactive)
2.1.3.4 Tâche de fond (Background)
2.3.2 Hiérarchie des cellules
2.3.3 Organisation fréquentielle
2.3.3.1 Le mode UTRA/FDD
2.3.3.1 Le mode UTRA/TDD
2.3.4 Le réseau d’accès UTRAN
2.3.4.1 L’équipement usager
2.3.4.2 Le Node B
2.3.4.3 Le RNC (Radio Network Controler)
2.3.4.4 Les interfaces de communication
2.4 La couche physique WCDMA
2.4.1 Canaux de transports et canaux physiques
2.4.2 Les canaux de transports
2.4.2.1 Canal de transport dédié
2.4.2.2 Canaux de transports commun
2.4.3 Les canaux physiques
2.4.3.1 Canaux Physiques dédiés (DPCH) en voie montante
2.4.3.2 Canaux Physiques dédiés (DPCH) en voie descendante
2.4.4 Les codes d’étalement
2.4.4.1 Code de canalisation
2.4.4.2 Code d’embrouillage
2.4.5 Transmission de données utilisateur sur le Canal dédié voie montante
2.4.6 Transmission de données utilisateur sur le Canal dédié voie descendante
2.4.7 Codage de canal pour la transmission de données
2.5 Handover
2.5.1 Le softer handover
2.5.2 Le soft handover
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 CONTROLE DE PUISSANCE DANS LE SYSTEME WCDMA
3.1 Termes utilisés dans le contrôle de puissance
3.1.1 Rapport signal sur interférence cible
3.1.2 Sensibilité du récepteur
3.1.3 Le taux d’erreur binaire
3.1.4 Probabilité de coupure
3.2 Environnement de propagation
3.2.1 Affaiblissement en espace libre
3.2.1.1 Modèle de Okumura-Hata
3.2.1.2 Modèle de COST 231-Hata
3.2.2 Effet de masque
3.3 Mécanisme de contrôle de puissance dans le WCDMA
3.3.1 Contrôle de puissance voie montante et descendante
3.3.1.1 Voie montante
3.3.1.2 Voie descendante
3.3.2 Contrôle de puissance en boucle ouverte
3.3.3 Contrôle de puissance en boucle fermée
3.3.4 Contrôle de puissance en boucle externe
3.4 Algorithmes de contrôle de puissance
3.4.1 Algorithme de contrôle de puissance basé sur la distance
3.4.2 Algorithme de contrôle de puissance à multiple pas
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATION SOUS MATLAB DE L’ADAPTATION DE LIEN
4.1 Introduction
4.2 Intérêt de l’adaptation de lien
4.3 Simulation de l’adaptation de lien
4.3.1 Description de la simulation
4.3.2 Initialisation en boucle ouverte
4.3.3 Contrôle en boucle fermée
4.3.3.1 Cas du mobile le plus proche de la station de base
4.3.3.2 Cas du mobile le plus loin de la station de base
4.4 Résultats de l’adaptation de lien
4.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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