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1 Groupe Signal/Architecture LASTI Systèmes de radiocommunication de 3ème génér

1 Groupe Signal/Architecture LASTI Systèmes de radiocommunication de 3ème génération : WCDMA Daniel Ménard, Juan A. Ruiz, Emmanuel Gaudry Daniel Chillet, Olivier Sentieys 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 2 1. Rappels sur les transmissions numériques Canal de transmission Modulations numériques Techniques d’accès 2. Concepts du CDMA Modulation CDMA à séquence directe Propriétés des codes Performances et capacités Plan (1) 2 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 3 3. Concepts du WCDMA Codes Canaux physiques Modulations Contrôle de puissance 4. Récepteurs WCDMA Récepteur simple utilisateur Récepteur multi-utilisateurs Complexité Antennes adaptatives Plan (2) 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 4 PARTIE 1 Rappels sur les transmissions numériques . Systèmes de communications . Canal de transmission . Modulation . Techniques d’accès 3 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 5 Systèmes de communication Compression des données Décompression des données Protection des données Détection et correction des erreurs Modulation Accès multiple Transposition de fréquence Canal de transmission Transposition de fréquence Démodulation [Diouris95a] 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 6 s Réponse impulsionnelle du canal : Canal de transmission (1) s Signal reçu: combinaison de différents trajets dont les caractéristiques évoluent rapidement au cours du temps s Canal radiomobile : ü dispersif dans le temps ü variable dans le temps (mobilité) ð temps de cohérence du canal Amplitude kème trajet Phase kème trajet Retard kème trajet Station de base BS Station mobile MS x(t) h(t) y(t) = x(t)*h(t) [Diouris95a] 4 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 7 s Fading : évanouissements rapides liés à la combinaison des différents multi-trajets (MP) Amplitude du signal reçu pour un véhicule circulant à 100 km/de 8 trajets. [Diouris95a] Canal de transmission (2) 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 8 Modulations numériques (1) s Modulation de phase BPSK (MDP-2) QPSK (MDP-4) p 0 Diagramme des signaux Diagramme des signaux Signal modulé Signal modulé NRZ FPB S(t) Séquence binaire Signal modulé t 0 1 1 0 1 t 10 01 11 00 10 10 4 3p 4 p 4 7p 4 5p 00 01 11 I Q t cos(w0t+j0) Filtre passe bas I 5 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 9 Modulations numériques (2) s Modulation / Démodulation QPSK Séquence binaire r(t) -sin(w0t+j0) cos(w0t+j0) tg-1(t) s(t) Signal module I Q -sin(w0t+j0) cos(w0t+j0) Séquence binaire Modulateur Démodulateur NRZ NRZ FPB FPB FPB FPB bn b2n b2n+1 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 10 f S(f,t) t Multiplexage par code UiÛ ci c1 c2 c3 Multiplexage fréquentiel UiÛ fi Multiplexage temporel UiÛ RectT(t+(nN U+i)T) FDMA frequency division multiple acces S(f,t) f f f 1 f2 f1 f1 t t Techniques d’accès NU.T T S(f,t) TDMA time division multiple acces CDMA code division multiple acces 6 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 11 PARTIE 2 . Modulation CDMA à séquence directe . Séquences PN . Performances et capacités Les concepts du CDMA (Code Division Multiple Access) 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 12 Modulation CDMA à séquence directe be(t) PN(t) cos(w0t) cos(w0t) PN(t) s1(t) se(t) sr(t) s2(t) br(t) +1 -1 +1 -1 be(t) PN(t) +1 -1 s1(t) +1 -1 +1 -1 +1 -1 s2(t) PN(t) br(t) Tc (chip) Ts (symbole) BrB (f) e(f) Ts 2 Sr(f) Tc 2 f0 Synchronisation S 7 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 13 Codes d’étalement . Facteur d’étalement (SF): . Autocorrélation : ð Synchronisation du code ò+¥ -¥ ( ) = ( ). ( - ). ® ( ) 1 1 1 1 c t c t dt n c c j t t d . Intercorrélation : ð Séparation des canaux : un canal = un code PN ò+¥ -¥ ( ) = ( ). ( - ). ®0 1 2 1 2 c t c t dt c c j t t c s T T SF = 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 14 Performances et capacités . Rapport signal à bruit : . Les signaux reçus par la BS doivent avoir la même puissance ð minimiser les problèmes d’éblouissement (near-far-effect) ð nécessité de contrôler la puissance d’émission des MS . Le nombre d’utilisateurs est limité par le RSI souhaité . L’influence d ’une interférence est fonction de son intercorrélation avec le signal utile . Amélioration de la capacité d’une cellule : ð codes orthogonaux : diminuer l’influence des interférences ð récepteur multi-utilisateurs ð antennes adaptatives éliminer les interférences RSI C I C C I N C RSB j i j ext i j i j ext i = + » + + = å å ¹ ¹ 8 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 15 PARTIE 2 . Radiocommunications 3G: objectifs, standards . Codes d’étalement (séquences PN, codes orthogonaux) . Canaux physiques . Modulation . Contrôle de puissance Systèmes 3G - WCDMA (Wideband CDMA) 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 16 Objectifs des systèmes 3G . Débits élevés : ü 144 Kbps : zone rurale (vitesse < 500 km/h) ü 384 Kbps : zone semi-urbaine (vitesse < 120 km/h) ü 2 Mbps : couverture limitée (piétons) . Intégration de services ü débits multiples ü débits variables sur une connexion . Accès paquets efficace . Possibilité d’utiliser des techniques d’amélioration de capacité : . détections multi-utilisateurs (MUD), suppression d’interférences . antennes adaptatives . Compatibilité avec les systèmes de 2ème génération 9 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 17 Standards des systèmes 3G Standards Techniques d’accès Débit chip (Mcps) Coeur du réseau IMT-DS UMTS FDD WCDMA 3.84 GSM MAP IMT-TC UMTS TDD WCDMA+TDMA 3.84 1.28 GSM MAP IMT-MC cdma2000 Multicarrier-CDMA 3.68 – 3 porteuses 1.22 - 1 porteuse ANSI-41 IMT-SC UWC-136 TDMA GSM MAP ANSI-41 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 18 Séquences PN (1) . Code PN: séquence pseudo-aléatoire obtenue à partir d’un registre à décalage de n étages . Séquence M : séquence de longueur maximale ð période de la séquence : . Propriétés des séquences M: ü le nombre de 1 et de 0 est quasiment identique ü la probabilité d’une suite de 1 ou de 0 de longueur N1 est égale à : ü autocorrélation : ü intercorrélation : N = 2n -1 (n) N (n) cc j = d -Tc 0 Tc N N.Tc jcc(t ) n N c c ( ) ³ 1 2 j 2-N1 + + + 10 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 19 Séquences PN (2) Type de code Nombre de codes Intercorrélation maximale Gold (n impaire) 2n +1 2 2 1 1 + n+ Gold (n paire) 2n +1 2 2 1 2 + n+ Short Kasami 22 n 22 n Long Kasami 22 (2n +1) n 2 2 1 2 + n+ Very Long Kasami 22 (2n +1)2 n 2 2 1 4 + n+ s Codes Gold et Kasami: combinaison linéaire de plusieurs m-séquences [Dinan98] 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 20 Codes orthogonaux . Intercorrélation des codes orthogonaux nulle si les codes sont synchronisés : [ ] úû ù êë é = úû ù êë é = = N N N N N H H H H H H H1 2 0 1 2 0 0 0 î í ì ¹ ¹ = " ¹ ( ) 0 0 (0) 0 1 2 1 2 1 2 j t t j c c c c c c . Utilisation de la matrice de Hadamard ü construction récursive ü 1 ligne de HN = 1 code Ä Couplage avec un code PN pour la synchronisation ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é = 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 4 H 11 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 21 SF=1 SF=2 SF=3 SF=4 C11 (1) C21 (11) C41 (1 1 1 1) C42 (1 -1 1 -1) C43 (1 1 -1 -1) C44 (1-1-11) Codes orthogonaux de longueur variable (OVSF) . Les codes ci et cj sont orthogonaux si ci n’est pas le père de cj et vice versa ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é = ú ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ê ë é L L L L i j i j i j i j i i i j i C C C C C C C . . . . 2 .2 2 . 2 .1 s Longueur des codes variable NOVSF = SF s Codes orthogonaux structurés en arbre ð matrice de Hadamard modifiée jC41 C22= (1, 1, 1, 1).(1, -1, 1, -1)T=0 et jC22 C41 = (1, 1).(1, -1)T=0 C81 C82 C83 C84 C22 (1-1) 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 22 Canaux physiques voie montante (MS ð BS) . Canaux dédiés : Trame DPDCH/DPCCH Data Ndata Pilot TFCI FBI TPC Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14 Tslot 2560 chips, 10 bits 1 trame Radio : T=10 ms Tslot 2560 chips, Ndata = 10* 2 k bits k=0-6 TPC : Transmit Power Control FBI : Feedback Information TFCI : Transport format combination indicator Pilot : Séquence de référence Données: DPDCH Contrôle: DPCCH [ETSI99-a]: BS 12 08/06/2001 LASTI - ENSSAT 23 Canaux physiques voie descendante (BS ð MS) . Canaux dédiés : Trame DPDCH/DPCCH TPC Slot 0 Slot 1 Slot i Slot 14 1 trame Radio : T=10 ms Tslot 2560 chips, 10* 2 k bits k=0-7 Data I TFCI Data uploads/Management/ wcdma 1 .pdf