Soutenance mémoire
Spécifications des émetteurs cellulaires dans le contexte de la radio reconfigurable
Concept de la radio cognitive
La radio cognitive peut être vue comme une association intelligente entre la radio conventionnelle (nombre fixe de systèmes et de services) tel qu’un terminal GSM, et la radio logicielle (variation dynamique des systèmes et services). En résumé, c’est un système radio mobile capable de s’adapter dynamiquement à son environnement en fonction de la demande (débit, puissance, nombre d’utilisateurs) et par rapport à l’occupation spectrale à un moment donné [Jondral, 2008]. Sonder son environnement spectral permet ainsi de garantir à l’utilisateur un débit optimum pour un taux d’erreur bit (BER) et un temps de latence minimum. Ainsi le concept de radio cognitive induit la coopération entre terminaux afin d’optimiser au mieux le partage du spectre.
De nos jours, les débits de données sont de plus en plus importants avec le développement de nouveaux services tels que la vidéo en streaming ou la visiophonie. Dans ces cas précis, c’est le partage du spectre qui est le plus limitant. L’émetteur ne profite pas des bandes adjacentes qui sont potentiellement libre et qui pourrait lui permettre d’étendre sa bande utile. Une étude menée en 2009 en collaboration avec Vaclav Valenta et Martha Suarez dans le laboratoire ESYCOM [Valenta, 2009a] et présenté à [ShC, 2010] met en avant ce phénomène de sous occupation de certaines bandes radio.
Tenant compte de ces limitations, on voit néanmoins apparaitre dès 1999 [Mittola, 1999] la théorie de la Software Defined Radio (SDR). Le principe est de numériser au maximum les éléments de la chaine d’émission afin d’intervenir de façon logicielle dans la reconfiguration fréquentielle de l’architecture. Cet ensemble de blocs numériques se regroupe sous l’appellation Digital Front End (DFE). D’après cette théorie, le but est de ne conserver analogique dans la chaine d’émission, qu’une partie de l’amplification et le filtrage d’antenne. Cependant, nous verrons dans le second chapitre que le dimensionnement de ces blocs et très contraignant et limité par les verrous technologiques, pour les fréquences porteuses au-delà du GHz.
Intérêt de la multi-radio
La multiradio ne considère qu’un nombre fini de bandes et de standards prédéfinis lors de la conception. Ce système ne pourra utiliser que les bandes de ces différents standards même si d’autres espaces sont libres dans le spectre. Leur utilisation doit de plus être respectueuse des standards voisins. En ce qui concerne les émetteurs actuels, la plage de travail se situe entre 700MMHz et 6GHz selon les standards.
L’étude menée en 2009 [Valenta, 2009a, 2009b] a permis d’établir que même sur un nombre de bandes fixes prédéfinies et allouées, il existe des taux d’occupation très différents en fonction de la région et de l’heure de la journée. Pour identifier les possibilités d’utilisation de bandes à faible taux d’occupation, nous les avons identifiées en utilisant une antenne logarithmo-périodique avec 30° d’ouverture sur la bande 400MHz – 6GHz (330 sous bandes de 20MHz avec 55KHz de résolution). Les mesures ont été effectuées sur le toit de l’ESIEE Paris, selon 12 segments de 30° chacun observés sur 24 heures. Au bout de 12 jours, les spectres journaliers ont été concaténés. Dans cette étude, on considère qu’une bande est dite occupée si le niveau de puissance moyenne est supérieur de 7dB par rapport à la moyenne du bruit mesuré.
Principaux standards de communication visés
Le but de cette partie est de définir un ensemble de critères de comparaison dans la spécification des différents standards cellulaires visés. Cela permet d’appréhender les défis qu’introduisent ces standards dans la conception d’architecture d’émetteurs pour des téléphones portables. Chaque standard requiert une occupation spectrale, une puissance à l’antenne et des caractéristiques de modulation qui lui sont propres, par exemple telles que l’Error Vector Magnitude(EVM) ou l’Adjacent Chanel Leakage Ratio (ACLR). Le dimensionnement d’une chaine d’émission nécessite une parfaite connaissance de ces grandeurs. Celles-ci donnent une information sur les capacités de chaque standard à pouvoir cohabiter avec les autres. Bien entendu, les standards sont déployés de façon différente à travers le monde et les cas d’étude de cohabitation varient en fonction de cela. Les standards qui ont été choisis sont ceux dont l’intégration dans un même système est la plus probable pour les années futures. Outre les standards actuellement déployés de 2G (GSM EDGE) et de 3G (HSUPA), il semble que le LTE ait pris le dessus par rapport au WiMAX du point de vue des constructeurs et des opérateurs dans le déploiement de WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks). Dans la partie suivante nous allons présenter les différents critères de qualification des standards, tels que la méthode d’accès, la modulation, les critères spectraux et de puissance.
Critères génériques de qualification des standards
Méthodes d’accès
On peut différencier principalement, trois méthodes d’accès : FDMA, TDMA , CDMA et OFDMA. Le TDMA (Time Division Multiple Access) est un mode de multiplexage temporel permettant d’avoir plusieurs utilisateurs dans une même bande de fréquences. Cette méthode d’accès est particulièrement utilisée dans la norme GSM dans laquelle chaque canal accepte jusqu’à huit utilisateurs simultanés. Cette méthode requiert une très bonne synchronisation. Le FDMA (Frequency Division Multiple Access est un mode de multiplexage fréquentiel destiné à la téléphonie mobile. Il s’agit d’un découpage en sous bandes de fréquence de manière à attribuer une partie du spectre à un utilisateur. Chaque utilisateur se voit attribuer une bande de fréquence, précise de largeur dépendante du standard appliqué. Les bandes de fréquences pour chacun des utilisateurs peuvent être également allouées de façon dynamique, en fonction du nombre d’utilisateurs et du débit nécessaire à chacun d’eux. Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une méthode d’accès par répartition en code, basée sur une technique d’étalement du spectre. Ainsi plusieurs liaisons peuvent utiliser simultanément la même fréquence porteuse. Cette méthode est principalement utilisée dans les réseaux de téléphonie mobile au travers du CDMA2000 en 3G et du W-CDMA. Mais cette méthode est également utilisée dans des applications satellitaires au travers du GPS, de Glonass et Galileo. L’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) peut être vue comme une méthode d’accès alliant CDMA et OFDM. Chaque utilisateur se voit attribuer un code d’étalement spectral et un ensemble de sous porteuses en fonction du débit dont il a besoin. L’OFDMA est plus particulièrement utilisé avec le standard WiMAX. On peut aussi introduire le SC-FDMA (Single Carrier FDMA), qui est une FDMA, concentrant l’étalement dans une bande autour d’une porteuse afin de limiter le PAPR (Peak to Average Power Ratio). Cette méthode d’accès sera plus précisément détaillée lors de l’étude du standard LTE.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I. Spécifications des émetteurs cellulaires dans le contexte de la radio reconfigurable
I.1. Concept de la radio cognitive
I.2. Intérêt de la multi-radio
I.3. Principaux standards de communication visés
I.3.1. Critères génériques de qualification des standards
I.3.2. GSM, EDGE et e-EDGE
I.3.3. UTRA FDD : W-CDMA, HSUPA et HSDPA
I.3.4. LTE FDD et TDD
I.4. Coexistences à prendre en compte dans la conception
I.5. Conclusion
Chapitre II. Architectures d’émission pour les applications multi-radio
II.1. Critères d’évaluation d’une architecture d’émission
II.1.1. Critères liés au standard
II.1.2. Critères liés à l’implémentation
II.2. Blocs dimensionnant une architecture d’émission
II.2.1. Conversion Numérique-Analogique
II.2.2. Modulateur IQ et transposition
II.2.3. Synthèse de fréquence
II.2.4. Filtrage RF
II.2.5. Amplification
II.3. Etude des architectures d’émission
II.3.1. Architectures d’émetteurs classiques
II.3.2. Architectures à techniques de linéarisation
II.4. Conclusion
Chapitre III. Dimensionnement d’émetteurs « tout numérique » pour des applications cellulaires
III.1. Des architectures analogiques aux architectures « tout numérique »
III.1.1. Evolution des blocs de mélange et de synthèse
III.1.2. Intégration de la transposition et de la pré-amplification
III.2. Contraintes liées à l’utilisation d’architectures « tout numérique »
III.2.1. Identification des contraintes
III.2.2. Identification des besoins en filtrage TX et des solutions possibles
III.2.3. Solution proposée et dimensionnement de l’architecture
Chapitre IV. Conception et réalisation d’un filtre RF passe bande reconfigurable à inductances actives en technologie CMOS 65nm
IV.1. Définition de la topologie du filtre
IV.1.1. Conception du filtre passe bande RF non reconfigurable à 1.95GHz
IV.1.2. Simplification de la structure
IV.1.3. Définition d’une loi de reconfigurabilité du filtre
IV.2. Conception d’une inductance active en technologie CMOS avancée
IV.2.1. Principe de fonctionnement d’une inductance active
IV.2.2. Choix de la topologie d’inductance active
IV.2.3. Conception et simulation de deux inductances actives
IV.2.4. Amélioration de la linéarité
Chapitre V. Implémentation et caractérisation du filtre à inductances actives en technologie CMOS 65nm
V.1. Implémentation du filtre à inductances actives
V.1.1. Plateforme technologique CMOS 65nm
V.1.2. Layout des inductances actives
V.1.3. Layout du filtre passe bande à inductances actives
V.2. Caractérisation des inductances actives sous pointes
V.2.1. Méthode de mesure
V.2.2. Performances mesurées de l’inductance active
V.2.3. Comportement en reconfigurabilité
V.3. Caractérisation du filtre passe bande
V.3.1. Mesure en socket de test
V.3.2. Extraction des phénomènes parasites
V.4. Comparaison à l’état de l’art et conclusion
Conclusion
