etalement spectre v4

De l’étalement de spectreau W-CDMAJean-Marie GorceCITI, INSA Lyon

I- Le DS-SS DS-SS : direct sequence spread spectrumétalement de spectre à séquence directe– 1- Rappels sur la transmission– 2- Technique d’étalement de spectre– 3- Propriétés du DS-SS– 4- La couche physique de IEEE802.11bCITI - Dept Télécoms 2

I-1. Rappels de transmission Modulation QPSK à 2porteusesb(t)h(t)â ka kb kCNAI(t)CNA Q(t) osc.90°e RF(t)s RF(t)osc.-90°h(t)^b kCITI - Dept Télécoms 3

I-2. Principes du DS-SS DS-SS= Direct Sequence Spread Spectrumétalement de spectre par séquence directe– Le codeur– Le décodeur correlateur matching filter phaseurCITI - Dept Télécoms 4

a) le codeura kCNAb(t)b s (t)s RF (t)c(t)osc.b(t)c(t)b s(t)0 1 2 CITI 3- Dept Télécoms 4 5 6 7 5

) le décodeurb s (t)b(t)∫ T dt0â kosc.c(t)10-10 1 2 3 4 5 6 710-10 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 6

I-2b le décodeurb s (t)b(t)∫ T dt0â kosc.c(t)Le corrélateur10-10 1 2 3 4 5 6 710-10 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 7

osc.b s (t)c(t)b(t)∫ T dt0â kI-2b le décodeurProblèmes de synchronisation du décodeur0 1 2 3 4 5 68

I-2b le décodeurLe filtre de mise en correspondance (matching filter)osc.b s (t)Matchingfilterc(t)b(t)Codegen.synchronisation∫ T dt0â kRéponse impulsionnelle : c’(t)=c(-t)CITI - Dept Télécoms 9

osc.b s (t)c(t)b(t)∫ T dt0â kI-2b le décodeurRecherche du maximum de corrélationCITI - Dept Télécoms 10

I-2b le décodeur Le phaseur : réception sur I/Q.– (sans DS-SS)s RF (t)osc.-90°phaseurIQ∫ T dt0∫ T dt0â kâ kpilotechannelestimationphaseCITI - Dept Télécoms 11

I-2b le décodeur Schéma-bloc du récepteur simpleDS-SS receiverMatchingfilterCorrelator.Codegen.Channelestim.PhasorIQCITI - Dept Télécoms 12

I-2b le décodeur Propriétés du décodeur simple. Sélection du code : connu a-priori ou recherché. Synchronisation du code : matching filter. Synchronisation de phase : le phaseur utilise une séquenceconnue (pilote).– Toutes ces opérations se font en quasi-temps réel : Matching filter : filtre RIF. Corrélateur : produit instantané. Phaseur : produit instantané.CITI - Dept Télécoms 13

I-3. Propriétés du DS-SS– Étalement spectral– Résistance aux bruits et interférences– Résistance aux évanouissements sélectifs : RAKE receiver– Choix des codes d’étalementCITI - Dept Télécoms 14

a) Etalement spectrals(t)c 1 (t)s tr (t)E bE b /GapproximationBWCITI - Dept Télécoms 15

) Résistance au bruits(t) Bruit AWGNc 1 (t)s tr (t)c 1 (t)BBE bTransmission directeE bN 0E b/GWE b /GN 0WCITI - Dept Télécoms 16

I-3b Résistance au bruits(t) Interférent bande-étroitec 1 (t)s tr (t)c 1 (t)BBE bE bN 0E b/GWE b /GN 0WCITI - Dept Télécoms 17

c) Évanouissements (fading) Rappels sur le canal radio : les chemins multiples Canal à chemin multiples la fonction de transfert est constituée :– de la somme des réponses de chaque trajetb'( t)= hb ( t)⊗b(t)+ n(t) Caractéristiques générales du canal radio Le Canal radio-mobile intègre les 2 types d ’évanouissementdispersif (fading plat) et étalé (fading sélectif). Sa réponse s’écrit de la façon suivanteh(k, τ)≈∑nh( τ) ⋅δ( k − )nnT s∑jΦn h ( t)= A ⋅e⋅δl ’utilisation de la variable τ permet de refléter la pseudostationnaritédu canal.bnn( t − ∆t)nCITI - Dept Télécoms 18

I-3c Évanouissements Représentation du canal radioh(n,τ)τtttttCITI - Dept Télécoms 19

I-3c ÉvanouissementsEvanouissements(basés sur chemins multiples)Fading non sélectif (plat)W < BcTs > ∆tDiversité de fréquenceEtalement en fréquenceFading sélectifW>BcTs < ∆tEgalisation∆t : étalement temporel (delay spread)Bc : bande de cohérenceCITI - Dept Télécoms 20

I-3c Évanouissements– Intérêt du DS-SS– ∆t < Tc (durée chip) : on ne peut rien faire∆t > Ts : même chose que sans étalement; égalisation à la sortie du décodeurDS-SS.– Tc < ∆t < Ts : intéressant; exploiter les propriétés du DS-SS– Principe exploiter les propriétés de certains codes : corrélation– utiliser un code dont la fonction d ’autocorrélation est ‘idéale’ exemple (wLAN : IEEE802.11b)– code de Barker à 11bits :0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1CITI - Dept Télécoms 21

I-3c Évanouissements1 bonne fonction d’autocorrélation=1 diracbasebandsignalspreadedsignalmatching0 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 22

I-3c ÉvanouissementsExemple d’un chemin doublebasebandsignalspreadedsignalmatching0 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 23

I-3c Évanouissements– RAKE receiver.DSSS DSSS receiverDSSS receiverCorrelator. Correlator. Phasor PhasorCorrelator. PhasorCode Codegen. Codegen.gen. Channel Channelestim. Channelestim.estim.delay delaydelaycombinerΣΣIQMatchingfilterLe nombre de raies résolvablesest égale à T s /T c .CITI - Dept Télécoms 24

I-3c Évanouissements Le combineur optimal– optimiser le SNR en réceptionwk= µ ⋅hσ*k2kb’ 1 (t)=h 1 .b(t -τ 1 ) +n 1 (t)δ(t-τ 1 )w 1Eb’ 2 (t)=h 2 .b(t -τ 2) +n 2 (t)δ(t-τ 2)w 2Σb’ N (t)=h N .b(t -τ Ν ) +n N (t)δ(t-τ Ν)w NCITI - Dept Télécoms 25

I-3c Évanouissements Résultats en terme de taux d’erreurCITI - Dept Télécoms 26Tiré du cours ‘CDMA, UMTS et Traitement d’antennes’,J.F. Diouris, Ireste, Nantes

I-3c Évanouissements– Intérêt du DS-SS : Permet de dissocier des chemins tels que :Tc < ∆t < Ts= introduit de la diversité (plusieurs chemins)– la combinaison des chemins diminue le taux d’erreur pour unC/N donné. Introduire le récepteur en râteau (rake), grâce à descodes dont l’autocorrélation est proche du dirac. applications : - wLAN : fchip=11Mcps; k=11- UMTS : fchip=3,86Mcps; k [4;256]calculez les différences de chemins exploitablesCITI - Dept Télécoms 27

d) Choix des codes d’étalement Critère temporel– l ’autocorrélation Critère fréquentiel– le spectre– Exemple de ‘mauvais codes’ La famille des codes de Walshest mal adaptée– exemple pour 1 taille 8 :0 0 1 1 1 1 0 00 1 0 1 0 1 0 1CITI - Dept Télécoms 28

I-3d Choix des codes d’étalementRésultat :basebandsignalspreadedsignalmatching0 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 29

I-3d Choix des codes d’étalementRésultat :basebandsignalspreadedsignalmatching0 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 30

I-3d Choix des codes d’étalement1010010001110.50-0.510 1 -24 -16 -8 0 8 16 2410 010 -110 00011110001010101-1-10 0 1010.50-0.5-110.50-0.5-1-5 0 5-5 0 510 1 -8 -4 0 4 810 -210 -1-33 -22 -11 0 11 22 33 -11 -5.5 0 5.5 1110 1 10 110 010 010 -110 -210 -110 1 10 110 010 010 -110 -210 -1-24 -16 -8 0 8 16 24 -8 -4 0 4 8CITI - Dept Télécoms 31

I-4. IEEE802.11b– Principes généraux 1 canal physique partagé entre plusieurs équipements. 1canal physique partagé entre plusieurs réseaux. Partage des ressources en CSMA/CA, reprenant le principed ’Ethernet (radio Ethernet)– Caractéristiques techniques Exploitation de la bande ISM (Ingénierie, Science et Médecine) :2,4000-2,4970 GHz Découpage de la bande en plusieurs canaux– FHSS : 79 porteuses (espacement 1MHz),v mod =1Mb/s ; 1MHz < W < 2MHz.– DSSS : 14 porteuses (espacement 5MHz),v mod =11Mb/s, v; 11MHz < W < 22MHz. puissance 10 à 100mW (fixe)CITI - Dept Télécoms 32

IV- IEEE802.11b– Occupation spectrale sans étalement spectral 2 débits possibles (BPSK/QPSK)– 1 Mb/s ou 2Mb/s.– durée chip = durée symbole sensibilité aux chemins multiples et résolutiontemporelle– durée impulsion = 1µs– pour lutter contre : saut de fréquenceCITI - Dept Télécoms 33

IV- IEEE802.11b– Occupation spectrale sans étalement spectral 2 débits possibles (BPSK/QPSK) : 1 Mb/s ou 2Mb/s. durée chip = durée symbole sensibilité aux chemins multiples et résolution temporelle– ( durée impulsion = 1µs ; saut de fréquence )– Mise en œuvre de l ’étalement spectral utilisation de la séquence de Barker (F=11)– réduction du nombre de canaux (79=>14)– durée chip = durée symbole /11 possibilité de monter à 11Mb/s par augmentation de la taille de laconstellationDébits étalement Modulation Vitesse de symbole Nb de bits/symbole1 Mbit/s 11 (Barker Sequence) BPSK 1 MS/s 12 Mbit/s 11 (Barker Sequence) QPSK 1 MS/s 25.5 Mbit/s 8 (CCK) QPSK 1,375 MS/s 411 Mbit/s 8 (CCK) QPSK 1,375 MS/s 8CITI - Dept Télécoms 34

IV- IEEE802.11b Propriétés– même débits (1Mb/s ; 2 Mb/s)– Sensibilité aux chemins multiples :• amélioration de la sensibilité d’un facteur 11.• Chemins résolvables :– Même sensibilité au bruit blanc car répartition de lapuissance sur une plus grande plage de fréquence.110 10.50-0.510 1 -11 -5.5 0 5.5 1110 010 -110 001001000111-1-10 0 1010 -2-33 -22 -11 0 11 22 3310 -1CITI - Dept Télécoms 35

II- Multiplexage par codes Le CDMA (Code Division MultiplesAccess)– Principe– utilisation simultanée deplusieurs codes d’étalement– Système synchronisé :– les codes orthogonaux(spreading codes)– Système non synchronisé :– les codes non orthogonaux(scrambling codes)– Contraintes sur les codes– Efficacité de multiplexageEBPΤftCITI - Dept Télécoms 36

II-1. Principes multiplexage de voix par CDMAa 1 (k)CNAb(t)c 1 (t)Σosc.s RF (t)a n (k)CNAb(t)c n (t)CITI - Dept Télécoms 37

II-1. Principes Avantage du CDMA (vs FTDMA)– le récepteur en râteau est naturel pour le CDMA :• il faut synchroniser le récepteur en recherchant lemaximum de corrélation d’une séquence connue– La résolution temporelle est plus grande (cadence chip)• UMTS : temps chip : 0,28 µs ~ différence de chemin~80m• GSM : 271kbit/s ~ 1kmCITI - Dept Télécoms 38

II-2. systèmes synchronisés Utilisation : une source transmet plusieursmessages vers plusieurs récepteursCITI - Dept Télécoms 39

a) Familles de codesPour avoir des interférences nulles,1 contrainte : codes orthogonauxΦnmT∫0( 0) = cn(t)⋅ cm(t)⋅ dt = δnmT : durée bit du signal d’entréeLes signaux c n (t) sont à la cadence chip : T c .Le nombre de codes orthogonaux de cette forme sont aumaximum de N=T/Tc.Le débit total utile est donc toujours identique.CITI - Dept Télécoms 40

II-2a. Familles de codesConstruction des codes :codes de Walsh / matrices de HadamardH⎡H⎢⎣H[ ]⎡ ⎤N N ⎤0 ; H =0 ; L H =⎥ ⎦0=1N+1NHN⎢⎣ 0 10⎥⎦HN=puissance de 2les codes sont donnés par les colonnesCITI - Dept Télécoms 41

II-2a. Familles de codesH 3 =0 : 11 : -10 0 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 1 0 10 0 1 1 0 0 1 10 1 1 0 0 1 1 00 0 0 0 1 1 1 10 1 0 1 1 0 1 00 0 1 1 1 1 0 00 1 1 0 1 0 0 100A000t=0futurCITI - Dept Télécoms 4200

) Intercorrélation des codes– Auto-corrélation des codes1baseband signal0-10 1 2 3 4 5 6 71spreaded signal0-10 1 2 3 4 5 6 7correlator output10-10 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 43

II-2b. intercorrélation– Intercorrélation des codes1baseband signal0-10 1 2 3 4 5 6 71spreaded signal0-10 1 2 3 4 5 6 7correlator output10-10 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 44

II-2b. intercorrélation– Intercorrélation des codesCf. démo 4b.1baseband signal0-10 1 2 3 4 5 6 71spreaded signal0-10 1 2 3 4 5 6 7correlator output10-10 1 2 3 4 5 6 7CITI - Dept Télécoms 45

II-2b. intercorrélation– Limite des systèmes synchronisés Synchronisation d’émission très fine entre lessignaux émis– Marche bien pour le multiplexage de flux provenant d’unemême source (downlink en UMTS) Détection de pic difficile lorsqu’il y a plusieursséquences simultanées– Emission périodique d’une séquence connue, pendant lesilence des autres canaux (c ’est le cas pour l’UMTS endownlink)CITI - Dept Télécoms 46

c) Codes à débit variableOrthogonal Variable Spreading Factor (OVSF)C 2(1)={1,1}C 4 (1)={1,1,1,1}C 4 (2)={1,1,-1,-1}C 8(1)={1,1,1,1,1,1,1,1}C 8(2)={1,1,1,1,-1,-1,-1,-1}C 1 (1)={1}C 4 (3)={1,-1,1,-1}C 2 (2)={1,-1}C 4 (4)={1,-1,-1,1}possibilité de gérer des débits variables47

II-2. conclusions : systèmes synchronisés– Propriétés des codes orthogonaux l ’orthogonalité est parfaite pour des signauxsynchronisés. L ’étalement n’est pas homogène mauvaises propriétés pour des signaux nonsynchronisés. mauvaise résolution temporelle pour le RAKE. le nombre de codes est relativement faible :– ne peut pas être utilisé pour plusieurs sources, car onretombe sur un problème de planification de codes, au lieude planifier des fréquences.CITI - Dept Télécoms 48

II-3. systèmes non synchronisés– Plusieurs sources transmettent un message versun (ou plusieurs) récepteursCITI - Dept Télécoms 49

a) Familles de codes pseudo-orthogonauxCodes non orthogonaux :La contrainte sur les codes non-orthogonaux est différente :φφnnnm( 0) c ( t)⋅ c ( t)⋅dt= 1= ∫ T n nT0( 0) = ∫ c ( t)⋅ c ( t)⋅ dt

II-3a. Codes pseudoPrincipe : générateurs pseudo-aléatoires (bruit blanc).Soit on génère 1 séquence très longue, et on en extrait des‘ morceaux’ statistiquement décorélés.Soit on génère des séquences courtes indépendantes.Le plus utilisé (UMTS par exemple) :- séquences de Gold (1967).- séquence de Kagami.CITI - Dept Télécoms 51

) Systèmes mixtes Principe– 1 code d’étalement + 1 code de scrambler) :a 1 (k)CNAb(t)s RF (t)c 1 (t)Σosc.a n (k)CNAb(t)s n (t)c n (t)CITI - Dept Télécoms 52

II-3b. systèmes mixtes Principe– 1 code d’étalement + 1 code de scrambler) :a 1 (k)CNAb(t)s RF (t)c 1 (t)Σosc.a n (k)CNAb(t)s n (t)c n (t)CITI - Dept Télécoms 53

II-3b. systèmes mixtes– Le code d’étalement (spreading): gère le multiplexage de plusieurs canaux d’1 seulesource (station de base, mobile avec servicesmultiples). Chaque source peut utiliser l ’ensembledes codes.– Le code mélangeur (scrambler) : un code spécifique à chaque source, utilisé commesignature d’une source.CITI - Dept Télécoms 54

Comparaison Codes orthogonaux / non orthogonauxcodesorthogonauxcodes nonorthogonauxgénérateurs WalshSéquences de Gold,Ikagamirôle étalement scramblerséparation de fluxséparation ded'une mêmedifférentes sourcessourcepropriétésgestion de débits robustesse auxvariables (OVSF) chemins multiplesnombre decodes=facteurd'étalementII-3b. systèmes mixtesquasi infini (attentionC/I non nul)CITI - Dept Télécoms 55

II-3b.Application dans l’UMTS– séparation de sources les codes OVSF ne sont orthogonaux que pour unemême source. W-CDMA combine ces codes avec des codes longde «scrambling». Chaque station de base, chaqueutilisateur possède son code propre Pas de problème de répartition, car plusieursmillions de codes «statistiquement» faiblementorthogonaux.CITI - Dept Télécoms 56

III. UMTS et W-CDMA III-UMTS et W-CDMA UMTS– intègre toutes les spécifications (couche radio, réseau )– retenu pour les fréquences IMT-2000 préconisées parl ’ITU. UTRAN : couche radio– (UMTS terrestrial radio access network)– technologie : W-CDMA (FDD ou TDD)CITI - Dept Télécoms 57

III-1. l’UMTS Architecture de l’UTRANUSIMCunode Bnode BIubRNCRNSIurIu CSIu PSMSC/VLRMEUEUunode BIub RNCnode BUTRANRNSSGSNCNCITI - Dept Télécoms 58

III-1. l’UMTS Interface radio Uu autour de la couche physiqueCITI - Dept Télécoms 59

III-1. l’UMTSGSMW-CDMA Éléments de comparaisonGSM / WCDMAPartage desressourcesEspacement desporteusesVitesse demodulationMultiplexage devoix par porteuseDébit utile dedonnéesDiversité decheminsDiversité enfréquenceOptimisation desressourcesFacteur deréutilisation defréquencesContrôle depuissanceFTDMA ; 124porteuses200kHzCDMA : 12 porteuses5MHz271 kHz 3,84 McpsTemporel, 8 voix9 à 12 kb/s64kb/s avec GPRSEgalisation (viterbi)Par codes, de 1 à2561kb/s à 2.3 Mb/sImplicite au RakereceiverSaut de fréquence Etalement (CDMA)(4 à 256)Planification des Algorithmes defréquencesgestion desressources1-18 (~12) 1(réutilisation decodes)2 Hz ou moins 1500 HzCITI - Dept Télécoms 60

III-1. l’UMTS Choix de base pour la couche radio– trames de 10ms• 1 trame = 15 slots• 1 slot = 2560 chips ; ~666µs• contrôle de puissance pour chaque slot (1500kHz)2560 chips0 1 2 3 4 1410msCITI - Dept Télécoms 61

III-1. l’UMTS– multiplexage à débits variables par les codesOVSF– rôle : partage des ressources entre utilisateurs sur le liendescendant, ou entre applications du même utilisateur sur lelien montant– l’orthogonalité garantie le zéro interférences entre les canaux.– Valable uniquement pour l’émission synchronisée depuis lamême source.– Limite : auto-interférences (fading) et interférences avec lesautres sourcesCITI - Dept Télécoms 62

III-2.Lien descendant (downlink) La station de base doit• émettre plusieurs voix multiplexés• synchroniser l’émission des différents canaux• gérer le multiplexage de canaux à débit variable.• contrôler la puissance relative des canaux, enmaîtrisant le niveau d ’interférences• émettre un signal ‘pilote’ pour l ’analyse du lien radio Le système doit limiter les interférences entrecellules• contrôle de puissance fin• utilisation de codes non-orthogonaux de ‘scrambling’CITI - Dept Télécoms 63

III-2. lien descendantPrincipe de codage d’un canal de donnéesExtrait de : ETSI TS 125 213 V3.4.0 (2000-12) 19 3GPP TS 25.213 version 3.4.0 Release 1999CITI - Dept Télécoms 64

III-2. lien descendantMultiplexage de plusieurs canaux sur le lien descendantExtrait de : ETSI TS 125 213 V3.4.0 (2000-12) 19 3GPP TS 25.213 version 3.4.0 Release 1999CITI - Dept Télécoms 65

III-2. lien descendant Quelques remarques– C ch,SF,n est un code d ’étalement spectral. Tous les codesutilisés doivent être orthogonaux– S dl,n est un code de «scrambling ». Il est propre à la cellule(permet la séparation des signaux de différentes cellules).– Le contrôle de puissance est effectué via les paramètres degain G i .– Les canaux P-SCH, S-SCH sont des canaux desynchronisation (séquences connues non codées)– Le canal du pilote commun et les canaux de contrôlecommuns utilisent toujours les codes d ’étalement C ch,256,0et C ch,256,1CITI - Dept Télécoms 66

III-2. lien descendant Multiplexage canal de données/ canal de contrôle– à chaque canal de données est associé un canal de contrôle. Ilssont multiplexés en temps sur le lien descendantdata en-tête data pilot0 1 2 3 4 1410msCITI - Dept Télécoms 67

III-2. lien descendantFacteurd’étalementRs(kbps)Rb(kbps)Bits deContrôle(kbps)512 7.5 15 3-6 1-3 kbps256 15 30 12-24 6-12 kbps128 30 60 42-51 20-24 kbps64 60 120 90 45 kbps32 120 240 210 105 kbps16 240 480 432 215 kbps8 480 960 912 456 kbps4 960 1920 1872 936 kbpsBits utiles après codage canal ½taux (kbps)4, avec 3codes //2880 5760 5616 2.3 MbpsCITI - Dept Télécoms 68

III-3. Lien montant (uplink) La station mobile doit :• émettre éventuellement plusieurs canaux multiplexés(ex : voix + données)• gérer le multiplexage de canaux à débit variable.• émettre un signal ‘pilote’ pour l ’analyse du lien radio Le système doit limiter les interférences entrecellules• contrôle de puissance fin• utilisation de codes non-orthogonaux de ‘scrambling’CITI - Dept Télécoms 69

III-3. lien montantMultiplexagede plusieurscanaux sur lelien montant,dont un canalde contrôleExtrait de : ETSI TS 125 213 V3.4.0 (2000-12) 19 3GPP TS 25.213 version 3.4.0 Release 1999CITI - Dept Télécoms 70

III-3. lien montant Quelques remarques– C d,i est un code d ’étalement spectral. Tous les codesutilisés doivent être orthogonaux. Si possible, utiliser 1seul canal : DPDCH 1 .– S dpch,n est un code de «scrambling ». Il est propre aumobile (permet la séparation des signaux de différentsmobiles, par la station de base). Il est complexe.– Le contrôle de puissance est effectué via les paramètres degain β i .– Le canal DPCCH est le canal de contrôle (pilote) utilisantles codes d ’étalement C ch,256,0 .– Sur le lien montant, il n ’y a pas de multiplexage temporel,le pilote étant multiplexé par les codes.CITI - Dept Télécoms 71

III-3. lien montantFacteurd’étalementRs(kbps)Rb(kbps)256 15 15 7.5 kbps128 30 30 15 kbps64 60 60 30 kbps32 120 120 60 kbps16 240 240 120 kbps8 480 480 240 kbps4 960 960 480 kbpsBits utiles après codage canal ½taux (kbps)4, avec 6codes //5740 5740 2.3 MbpsRem : il n ’y a plus de «pertes de débit» lié au multiplexage temporel ,et le facteur d’étalement est limité à 256. A part dans le dernier cas, les bitsde données sont transmis sur I et les bits de contrôle sur Q.CITI - Dept Télécoms 72