Méthodes d’accès OFDMA et SC-FDMA dans LTE (Long Term Evolution)

Naissance de la téléphonie Mobile

  Après la découverte des ondes électromagnétiques par Maxwell et l’invention du premier téléphone par le savant Graham Bell le téléphone traditionnel connaitra plusieurs évolutions. Devant les limites que connaitra le téléphone fixe à savoir le manque de mobilité et d’aisance, la nécessité d’un téléphone mobile se fera sentir. Ainsi, depuis les années 1940 jusqu’à nos jours, nous assisterons à la naissance et à l’évolution de plusieurs standards de la téléphonie mobile. En 1950, le monde de la téléphonie est révolutionné par la mise en place du premier service de radiotéléphone aux Etats-Unis. Mais celui-ci connaitra plusieurs limites dont la principale est l’utilisation restreinte des ressources, qui limitent le nombre d’abonnés. Pour parer à ces difficultés, de nouveaux concepts sont introduits à partir de 1964 à savoir le partage des ressources qui consistera aux partages des bandes de fréquence radio entre un plus grand nombre d’utilisateurs. Ainsi, le réseau alloue un canal radio à chaque communication uniquement pendant sa durée .Ceci permettra d’obtenir un nombre d’abonnés supérieur au nombre de canaux radio disponibles. A partir de 1982, la Conférence Européenne des Postes et Télécommunications (CEPT) crée le Groupe Spécial Mobile (GSM), qui a pour mission la  spécification des normes pour les radiocommunications. Celui-ci sera l’ancêtre de la normalisation de la norme de téléphonie GSM (Global Système for Mobile Communication) que nous connaissons aujourd’hui. C’est parti pour une course vers l’innovation. *1+ Aujourd’hui, face au besoin capital de l’internet dans le quotidien, l’internet mobile a vu le jour. Ainsi, beaucoup d’autres services utiles à la vie quotidienne de l’homme intègrent les terminaux mobiles au grand plaisir des abonnés.

Le GPRS (Général Packet Radio Service)

  Face aux incapacités constatées dans le GSM, il est créé en décembre 1998 le 3GPP « 3rd Generation Partnership Project » qui est une coopération signée entre organismes de standardisation régionaux en Télécommunications tels que l’ETSI(Europe), ARIB-TTC(Japon), CCSA(Chine), ATIS (Amérique du Nord) et TTA (Corée du Sud). Le but de cet organisme vise à produire des spécifications techniques dans le but de faire évoluer la norme GSM de 2ème génération vers les 3èmes générations. Ainsi plusieurs amélioration du GSM ont été proposées et déployées. Le GPRS est l’une des premières concrétisations du 3GPP. [5] Le GSM a été conçu pour de la téléphonie mobile, autrement dit pour des communications en mode circuit à faible débit et, si possible, au moyen de terminaux à coûts réduits. Certains choix techniques du GSM sont faits en conséquence, notamment en matière d’architecture réseau et d’interface (radio essentiellement). Ces choix se révèlent toutefois contraignants pour les services de données (transfert de fichier, vidéo, etc.) qui n’autorisent en GSM que le mode circuit pour des débits faibles (9600, 4800 ou 2400 bits/s). Pour améliorer l’efficacité du transfert de données le GPRS fondée sur l’interface radio du GSM, mais développant un partage de ressources dynamique adapté au trafic sporadique, introduit une architecture réseau en mode paquet. Le GPRS apparu en 2000 à avec la realese 97 permet d’atteindre un débit plus élevé. Il introduit pour la première fois l’envoie de flux de données dans le réseau et un protocole de transmission par paquets. Cette méthode est mieux adaptée pour une transmission de données. Ainsi on assiste à des débits de 171,2 Kbits en Théorie et en pratique 48 Kbits en downlink et 14 Kbits en Uplink avec un service web, une transmission vidéo, un accès à internet. C’est la naissance de l’internet mobile. Grace au multiplexage on obtient une simultanéité des services. L’on peut donc utilisé une session GSM et une session GPRS .

Caractéristiques de la norme LTE

  Par rapport à la norme UMTS actuelle, l’une des principales nouveautés du LTE réside dans l’introduction du procédé de codage par répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) pour les liaisons descendantes et SC-FDMA (Single Carrier -Frequency Division Multiple Access), une méthode voisine de l’OFDM, pour les liaisons ascendantes. Ces procédés permettent l’exploitation du système avec des largeurs de bande du canal allant de 1,4 MHz à 20 MHz (largeurs de bandes de 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz) et l’utilisation de systèmes de radiocommunication mobile dans diverses largeurs de bande, sans qu’ils soient liés à l’écart habituel entre les canaux de 5 MHz. L’illustration ci-dessous montre l’évolution de l’efficacité du spectre en liaison descendante avec différentes technologies de radiocommunication mobile. Grâce à des largeurs de bande flexibles et une division très fine des porteuses, le LTE atteint des vitesses nettement plus élevées que ses prédécesseurs. Il permet d’adapter rapidement les paramètres radio aux canaux radio en recourant au nouveau procédé de codage OFDMA. Avec ce procédé, le LTE constitue aussi une plateforme remarquable pour la transmission de services de radiodiffusion (Multicast, Broadcast) dans les réseaux de radiocommunication mobile. Comme nous l’avons cité plus haut dans ce standard il est possible de franchir la barre des 100 Mbit/s en liaison descendante (326 Mbit/s en liaison descendante et 86 Mbit/s en liaison ascendante en théorie). Cette augmentation est possible surtout grâce à l’utilisation d’un nombre d’antennes pouvant aller jusqu’à 8 dans la station de base et le terminal (MIMO) [13]. Le LTE offre non seulement des débits nettement plus élevés et une meilleure utilisation du spectre que ses prédécesseurs, mais aussi un temps de transfert des paquets de l’expéditeur au destinataire (temps de latence) d’environ 5 millisecondes, au lieu des 70 millisecondes nécessaires avec l’UMTS. Ceci a des effets particulièrement positifs sur la réactivité du réseau et sur les services en temps réel comme la transmission vocale (VoIP) qui est a été introduite.

Présentation de L’OFDM

  Les accès multiples sont des techniques efficaces de partage de ressources de communication en temps et en bande passante, de manière optimale afin d’augmenter la capacité d’un réseau de communication en nombre d’utilisateurs. Cette technique doit être mise en œuvre sans créer d’interférences nuisibles aux performances des systèmes. La condition nécessaire pour éviter les interférences d’accès multiples (IAM) est l’orthogonalité entre les signaux des différents utilisateurs. Elle procède donc à un recouvrement mutuel des différentes sous-porteuses, d’une manière orthogonale. Cette orthogonalité permet une utilisation optimale des ressources spectrales et facilite l’implémentation numérique. L’un des problèmes majeurs en télécommunication est l’adaptation de l’information à transmettre au canal de propagation. Etant donné, la présence de canaux sélectifs en fréquences, on a recours à l’utilisation de modulations multi-porteuses dans laquelle un bloc d’information est modulé par une transformée de Fourier. Ainsi cette technique a connu un vif succès ces dernières années et est en phase de normalisation dans différents standards sans fils (IEEE802.11a, WiMAX, LTE, DVB). La technique OFDM a la grande particularité de transformer un canal multi-trajet large bande en un ensemble de sous-canaux mono-trajet très simples à égaliser. De plus, l’utilisation ingénieuse de redondance cyclique à l’émission permet de réduire la complexité des terminaux grâce à l’utilisation d’algorithmes à base de FFT rapides. Quelques avantages de la technique OFDM
 Attribution dynamique de spectre : L’utilisateur décide des sous bandes qui doivent être occupées pour chaque impulsion sortante.
 Une architecture numérique simple : la technologie moderne permet une implémentation à faible coût.
 La largeur de bande est déterminée seulement par la fréquence d’échantillonnage (DAC/ADC). La synchronisation n’est pas une grande issue : Tout le traitement est fait dans le domaine de fréquence.

Principe de la modulation OFDM

   La modulation multiporteuse OFDM consiste à répartir les symboles sur un grand nombre de porteuses à bas débit. A l’opposé des systèmes conventionnels qui transmettent les symboles en série, chaque symbole occupe toute la bande passante disponible. Alors on reparti de manière aléatoire des symboles de durée Tu (temps symbole utile) sur des différentes porteuses (ou sousporteuses) modulées en QPSK ou QAM (selon le compromis robustesse/ débit). Dans le système OFDM le canal est divisé en cellule suivant les axes de temps et de fréquence. Le canal est désormais constitué de suite de segments de fréquence et de suite de segments temporels. Une porteuse est affecté à chaque cellule fréquence/temps et l’information à transporter est reparti sur l’ensemble de ces porteuses modulées, chacune suivant le type BPSK, QPSK ou QAM. Un symbole OFDM comprend alors l’ensemble des informations contenues dans l’ensemble des porteuses à un instant t. Pour que les fréquences des porteuses soient les plus proches possibles et pour ainsi transmettre le maximum d’information sur une portion de fréquences donnée, l’OFDM utilise l’orthogonalité, cité précédemment. Les signaux des différentes porteuses se chevauchent mais grâce à l’orthogonalité n’interfèrent pas entre elles. Ainsi, pour un train de symboles initial de période Ti , les symboles seront répartis en N trains plus lents et auront alors une durée T = NTi. Pour répartir les données à transmettre sur les N porteuses, on regroupe les symboles ck par paquets de N. Les ck sont des nombres complexes définis à partir des éléments binaires par une constellation (mapping) souvent de modulation QAM ou PSK à 2n états.

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Table des matières

Résumé
Liste des figures
Liste des tableaux
Acronymes
Introduction générale
CHAPITRE I Evolution de la téléphonie mobile
I.1 Introduction
I.2 Naissance de la téléphonie Mobile 
I.3 Différents standards de la téléphonie mobile 
I.3.1 Première génération
I.3.2 Deuxième génération
I.3.2.1 GSM (Global System for Mobile communications)
I.3.2.2 GPRS (Général Packet Radio Service)
I.3.2.3 EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution)
I.3.3 Troisième Génération
I.3.3.1 UMTS
I.3.3.2 HSDPA
I.3.3.3 HSUPA
I.3.3.4 HSPA
I.4 LTE (Long Term Evolution) 
I.4.1 Présentation
I.4.2 Objectif
I.4.3 Caractéristiques de la norme LTE
I.4.4 Architecture du LTE
I.4.2.1 EPS
I.4.2.2 Technologie MIMO
I.5 Conclusion
CHAPITRE II Méthodes d’accès OFDMA et SC-FDMA dans LTE (Long Term Evolution)
II.1 Introduction 
II.2 Technique OFDM 
II.2.1 Présentation de L’OFDM
II.2.2 Principe de la modulation OFDM
II.2.3 Principe de la démodulation OFDM
II.2.4 Implémentation numérique de la technique OFDM
II.2.4.1 Implémentation numérique du modulateur OFDM
II.2.4.2 Implémentation numérique du démodulateur OFDM
II.3 Transmission Downlink 
II.3.1 Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)
II.3.2 Emission et réception
II.3.3 Paramètres de modulation en Downlink
II.3.4 Structure d’une Trame LTE
II.3.5 Les “Resources Block” en Downlink (PRB)
II.3.6 Les canaux Physiques en Downlink
II.3.7 Les signaux Physiques
II.3.8 Les canaux de transport
II.4 Transmission Uplink 
II.4.1 Paramétrisation de la SC-FDMA
II.4.2 Transmission en Uplink
II.4.2.1 Émetteur SC-FDMA
II.4.2.2 Allocation des ressources radio dans le système SC-FDMA
II.4.2.3 Récepteur SC-FDMA
II.4.3 Les canaux physiques en Uplink
II.4.4 Les signaux physique
II.4.5 Les canaux de transport
II.5 Etude Comparative de l’OFDMA et de la SC-FDMA 
II.6 Conclusion 
CHAPITRE III Performance PAPR de l’OFDMA et la SC-FDMA
III.1 Introduction 
III.2 Etude du PAPR (Peak to Average Power Ratio) 
III.2.1 Généralités sur les amplificateurs de puissance
III.2.2 Influence du PAPR sur l’amplification
III.2.3 Evaluation du PAPR du signal SC-FDMA
III.3 Simulation du PAPR des signaux SC-FDMA et OFDM 
III.4 Conclusion 
Conclusion générale
Bibliographie
Annexes

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