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Rseau UMTS
Introduction
Le rseau UMTS vient se combiner aux rseaux dj existants GSM et
GPRS apportent des
fonctionnalits respectives de Voix et de Data ; le rseau UMTS
apporte ensuite les fonctionnalits
Multimdia.
La mise en place d'un rseau UMTS va permettre un oprateur de
complter son offre
existante par l'apport de nouveaux services en mode paquet
compltant ainsi les rseaux GSM et
GPRS.
Depuis 1985, lUnion Internationale de Tlcommunications (UIT, ou
ITU en anglais)
rflchit un systme de troisime gnration, initialement appel Futur
Public Land Mobile
Telephone System FPLMTS.
L'ide fondatrice du systme 3G est d'intgrer tous les rseaux de
deuxime gnration du
monde entier en un seul rseau et de lui adjoindre des capacits
multimdia (haut dbit pour les
donnes).
En Europe, la standardisation dun systme 3G nomm Universal
Mobile
Telecommunication System (UMTS).
En 1998, une coopration, le 3GPP (3rd Generation Partnership
Project), est cre entre les
organismes du monde pour travailler une solution unique qui
serait propose lUIT.
Le 3GPP regroupe :
le Japon : ARIB (Association of Radio Industries and Business)
et TTC
(Telecommunication Technology Committee) ;
lEurope : ETSI (European Telecommunications Standards
Institute),
les Etats-Unis : T1P1 ;
la Core : TTA (Telecommunications Technology Association).
La Chine, par lintermdiaire du CWTS (China Wireless
Telecommunication Standard
Group) a rejoint le 3GPP depuis Mai 1999.
Le 3GPP est scind en 4 groupes de travail TSG (Technical
Specifications Groups) :
TSG Radio Access Network (RAN) : charg de la dfinition de la
partie radio (couches 1
3) et des interfaces radios (Iu, Iub et Iur) ;
TSG Core Network (CN) : charg de la mise au point des couches
Mobility Management
(MM), Call Control (CC) et Services Management (SM), et de ltude
de
linterfonctionnement entre les diffrents rseaux (handover /
roaming) ;
TSG Services & System Aspects (S&SA) : charg de la
dfinition des services, de
larchitecture, de la scurit, du CODEC et de la gestion du Rseau
;
TSG Terminals : charg de ltablissement des tests et des
fonctionnalits sur les terminaux.
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1. Infrastructure dun rseau UMTS
1.1. Prsentation de linfrastructure du rseau
Figure 1 : Architecture UMTS
1.2. Les quipements dun rseau
La mise en place du rseau UMTS implique la mise en place de
nouveaux lments sur le rseau.
1.2.1. Le Node B
Le Node B est un ensemble de stations de base (BS) et de
contrleurs de site qui sont chargs en
outre de grer la macro-diversit (1 mobile plusieurs nodes B).
Chaque station de base gre une cellule. Plusieurs cellules peuvent
donc dpendre dun mme Node B, mais chaque cellule ne supporte quun
seul mode de duplexage : FDD (Frequency Division Duplex) ou TDD
(Time Division Duplex).
Les Nodes B grent la couche physique de linterface radio. Le
Node B rgit le
codage du canal, lentrelacement, ladaptation du dbit et
ltalement.
Les Nodes B communiquent directement avec le mobile sous
linterface dnomme Uu.
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Figure 2 : Schma synoptique du systme UMTS
1.2.2. Le RNC
Le RNC est un contrleur de Node B et est encore ici lquivalent
du BSC dans le rseau
GSM.
Le RNC contrle et gre les ressources radio en utilisant le
protocole RRC (Radio Ressource
Control) pour dfinir procdures et communication entre mobiles
(par lintermdiaire des Nodes B)
et le rseau.
Le RNC sinterface avec le rseau pour les transmissions en mode
paquet et en mode circuit.
Le RNC est directement reli un Node B, il gre alors :
Le contrle de charge et de congestion (saturation) des diffrents
Node B ;
Le contrle dadmission et dallocation des codes pour les nouveaux
liens radio (entre dun
mobile dans la zone de cellules gres ).
Il existe deux types de RNC :
Le Serving RNC : qui sert de passerelle vers le rseau et gre les
connexions radios avec le
mobile et sert de point de rattachement au Core Network via
linterface Iu (voir la figure
prcdente). Il contrle et excute le handover.
Le Drift RNC : qui a pour fonction principale le routage des
donnes.
Le Drift RNC, sur ordre du Serving RNC, gre les ressources
radios des stations de
base qui dpendent de lui.
Il effectue la recombinaison des liens lorsque, du fait de la
macro-diversit, plusieurs
liens radios sont tablis avec des stations de base qui lui sont
attaches.
Il route les donnes utilisateurs vers le Serving RNC dans le
sens montant et vers
ses stations de base dans le sens descendant.
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Figure 3 : Serving et Drift RNC
Les principales fonctions de linterface Iur, reliant les deux
RNC entre eux, sont lies au soft
handover (figure suivante). LIur permet en effet au Serving RNC
de demander au Drift RNC
dajouter ou de supprimer un lien radio, de modifier les
caractristiques de celui-ci
Linterface Iub, reliant le RNC au Node B, est comparable
linterface Abis en GSM, mais
contrairement au GSM et du fait de la macro-diversit, plusieurs
branches Iub de communication
peuvent tre utilises pour un mme terminal, toutes ces branches
transportant la mme information
utilisateur.
Linterface Iu relie lUTRAN au Core Network, que ce soit un MSC
pour les services
circuits et/ou un SGSN pour les services paquets. Elle est
indpendante du mode de duplexage sur
linterface radio (FDD ou TDD) et gre en outre le hard handover
(figure ci-dessous).
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Figure 4 : hard et soft handover
1.2.3. La carte USIM
La carte USIM assure la scurit du terminal et la confidentialit
des communications. Des
algorithmes de cryptages cls publiques sont utiliss. Un certain
nombre de possibilits sont
prvues pour les cartes USIM de 3G (cls de cryptage plus longues,
protection des donnes
didentit de labonn et de son terminal et autres).
1.2.4. Le mobile
Les technologies de linformatique et des tlcommunications se
rapprochent par lintgration
de systme dexploitation et dapplications sur les terminaux UMTS.
Les terminaux sadapteront
sur diffrents rseaux et devront tre capables de fonctionner sur
quatre environnements :
Dans une zone rurale (pico cellule) ;
Dans un btiment (micro cellule) ;
Dans des espaces urbains (macro cellule) ;
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Avec un satellite.
Figure 5 : Les diffrents cellules o peut taravailler un terminal
UMTS
Le terminal utilsera ainsi les rseaux GSM/GPRS/UMTS. Pour une
couverture nationale en fait
appel aux rseaux de satellite pour une couverture mondiale si
ncessaire. Le tarminal sera quip
dun navigateur, qui est une volution du browser WAP.
1.3. Utilisation des architectures rseaux existantes
Le rseau cur de lUMTS sappuie sur les lments de base du rseau
GSM et GPRS.
Le rsau cur est en charge de la commutation et du routage des
communications (voix et
donnes) vers les rseaux externes. Dans un premier temps le rseau
UMTS devrait sappuyer sur le
rseau GPRS.
Le rseau cur se dcompose en deux parties : le domaine circuit
dans un premier temps et
le domaine paquet.
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Figure 6 : utilisation des deux domaines
1.3.1. Le domaine circuit
Le domaine circuit permettra de grer les services temps rels
ddis aux conversations
tlphoniques (vido-tlphonie, jeux vido, streaming, application
multimdia). Ces applications
ncessitent un temps de transfert rapide. Lors de lintroduction
de lUMTS le dbit du mode
domaine circuit sera de 384 Kbits/s. Linfrastructure sappuiera
alors sur les principaux lments du
rseau GSM : MSC/VLR (bases donnes existantes) et le GMSC afin
davoir une connexion directe
vers le rseau externe.
N.B :
Streaming : envoi de flux continu dinformations qui seront
traites instantanment avec la
possibilit dafficher les donnes avant que lintgralit du fichier
ne soit tlcharge, lobjectif
tant de gagner en rapidit.
1.3.2. Le domaine paquet
Le domaine paquet permettra de grer les services non on temps
rels. Il sagit
principalement de la navigation sur linternet, et de
laccs/utilisation des e-mails. Ces applications
sont moins sensibles au temps de transfert, cest la raison pour
laquelle les donnes transiteront en
mode paquet. Le dbit du domaine paquet sera sept fois plus
rapide que le mode circuit, environ
2Mbits/s. Linfrastructure sappuiera alors sur les principaux
lments du rseau GPRS : SGSN
(bases de donnes existantes en mode paquet GPRS, quivalent des
MSC/VLR en GSM) et le
GGSN (quivalent du GMSC en GSM) qui jouera le rle de commutateur
vers le rseau internet et
les autres rseaux publics ou privs de transmission de
donnes.
2. Lorganisation frquentielle
Les bandes de frquences alloues pour lIMT 2000 (International
Mobile
Telecommunications, 2000 : correspond la bande et aussi lanne)
sont 1885-2025 MHz et 2110-
2200 MHz.
LUMTS propose la rpartition suivante :
Figure 7 : Utilisation de la bande de frquences pour lUMTS
La division duplex dans les bandes dites appaires, cest dire 260
MHz, est
frquentielle (FDD). Lcart duplex vaut 190 MHz. On utilise dans
ces bandes un accs W-CDMA
(Wideband-CDMA).
La division duplex dans les bandes dites non appaires, cest dire
35 MHz et 15 MHz,
est temporelle (TDD). On utilise dans ces bandes un accs
TD-CDMA.
Ecart duplex = 190
35MHz 15MHz
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Figure 8 : Mode TDD et FDD
Les deux modes daccs doivent tre harmoniss (concorder) pour
favoriser la ralisation de
terminaux bi-modes TDD / FDD bas cots.
Figure 9 : Frquence et priode de garde
Dune manire gnrale, le mode FDD est bien adapt tous les types de
cellules, y compris
aux grandes cellules, mais nest pas trs souple pour grer des
trafics asymtriques. Quant au
mode TDD, il permet dadapter le rapport de transmission
montante/descendante en fonction de
lasymtrie du trafic, mais exige une synchronisation des stations
de base et nest pas bien adapt
aux grandes cellules cause des temps de garde trop
importants.
Les deux bandes restantes sont rserves la composante
satellitaire de lUMTS.
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3. Organisation temporelle
Lorganisation temporelle de lUMTS est base sur une supertrame de
720 ms, comportant
elle-mme 72 trames de 10 ms. Chaque trame de 10 ms est divise en
15 slots de 667 s.
Figure 10 : Structure de trame de lUMTS
4. Chane de transmission 3G
De faon gnrale, la chane de transmission simplifie comporte
quatre parties principales :
1. le bloc 1 : de dcodage et dentrelacement
(entrecroisement).
2. le bloc 2 : dtalement de spectre.
3. le bloc 3 : dembrouillage des donnes (scrambling).
4. et le bloc 4 : o se fait la modulation numrique.
Comme illustre sur la figure suivante :
Figure 11 : Chane de transmission
Description de la chane dmission
Codage : Le codage consiste ajouter de la redondance au train
binaire mettre. Ceci
permet de le protger contre les erreurs uniformment distribues
dans la chaine de
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transmission. Suivant la qualit de service offrir (QoS) en
termes de taux derreur binaire
(TEB), deux principaux schmas de codage existent :
1. codage convolutif pour un TEB = 103, et pour un TEB =
106.
2. Pour des dbits trs levs (suprieurs 32 kbps), des turbo-codes
sont utiliss.
Enfin il peut y avoir des codeurs spcifiques, par exemple pour
la voix.
Suivant les contextes dutilisation, deux principales techniques
de codage (ou de dcodage plus
exactement) existent :
En transmission de parole en temps rel, on ne peut pas
habituellement retransmettre un bloc
de parole numris sur lequel des erreurs ont t dtectes. On
utilise alors des procdures de
dcodage avec correction derreurs FEC (Forward Error Correction).
Les codes associs cette
technique sont des codes linaires en bloc, cycliques ou
convolutifs.
Dans la plupart des rseaux de transmission de donnes o lon
dispose dune voie de retour
(liaisons full ou half duplex) les stratgies du type ARQ
(Automatic Repeat reQuest) sont utilises :
lorsque lon dtecte une erreur sur un bloc reu, on demande sa
retransmission en mettant par
exemple un signal dit "non-accus de rception" sur la voie de
retour.
Enfin, des stratgies mixtes FEC/ARQ peuvent tre utilises dans
certaines applications de type
"tlcommande".
Ces donnes sont ensuite multiplexes, et envoyes
lentrelaceur.
Entrelacement :
Le rle de lentrelaceur est dtaler temporellement les mots
dinformations cods afin de les
protger, contre des paquets derreurs ds aux trajets multiples du
canal de transmission ou aux
sources de bruit.
Lentrelacement consiste rarranger les symboles informatifs cods
de sorte que les symboles
correspondant un mot de code soient spars dune distance
suprieure la longueur typique
dun paquet derreurs. Il existe deux types dentrelacement :
1. lentrelacement convolutionnel;
2. lentrelacement par blocs.
Etalement de spectre :
Ltalement de spectre a pour but dlargir la bande passante du
signal, tout en conservant la
puissance moyenne, mais en baissant le niveau spectral.
Il existe deux principales techniques dtalement de spectre :
1. ltalement par sauts de frquence (FHSS)
2. ltalement par squence directe (DSSS).
Dans la norme UMTS, en liaison montante, les codes dtalement
(Channelization Code),
dits : Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) (dont la
construction est reprsente
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sur la figure suivante) qui sont en fait des squences de WALSH,
sont utiliss pour la
sparation de voies.
Figure 12 : Arbre de construction des codes OVSF
Le brouillage (scrambling) :
Le scrambling, consiste multiplier les donnes en sortie de
lentrelaceur par une squence pseudo-
alatoire (PN-Sequence) afin de diffrencier les donnes provenant
dautres canaux physiques :
cest la sparation de voie. Ainsi, les donnes ne seront pas
perdues aprs multiplexage avec
dautres canaux de transport.
La modulation :
Elle est de type :
QPSK : pour la liaison descendante (DL)
BPSK : pour la liaison montante (UL)
Les protocoles radio
Linterface radio de lUMTS comprend trois couches :
1. la couche L1 (couche physique), qui contient les canaux de
transport (TC) diviss en
deux groupes :
1.1. les canaux ddis (DTCH) ;
1.2. les canaux communs (CTCH) ;
2. la couche L2 (couche de liaison de donnes), qui se subdivise
en deux sous-
couches :
2.1. Link Access Control (LAC) ;
2.2. Medium Access Control (MAC) ;
3. la couche L3 qui est la couche rseau (RRC : Radio Ressource
Control).
Il y a aussi 3 types de canaux :
1. canaux logiques
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2. canaux physique
3. canaux de transport.
Figure 13 : Larchitecture en couche des protocoles sur
linterface radio
Un dcoupage en vertical permet de distinguer le plan de
signalisation qui supporte le transfert des
messages de signalisation entre le mobile et le rseau et le plan
usager qui supporte le transfert des
donnes utilisateurs.
5. Les canaux :
Canaux
Logiques
de contrle
de trafic
Transport
transport commun
transport ddi
transport partag
Physique
didi
commun
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Figure 14 : les canaux
5.1. Les canaux logiques (de contrle et de trafic) : sont le
point daccs aux services de
la couche MAC.
5.1.1. Canaux logiques de contrle : utiliss pour le transfert
des informations dans le plan
de signalisation
BCCH Broadcast Control CHannel : - voie balise comme dans tout
rseau mobile
- diffusion permanente dinformations systme
PCCH Paging Control CHannel : - envoi des messages de paging aux
mobiles
CCCH Common Control CHannel : - envoi ou rception dinformations
de contrle des mobiles non encore connects au rseau
DCCH dedicated control channel : - envoi ou rception
dinformations de contrle des mobiles connects au rseau -
transmission de la quasi totalit de la signalisation (RRC et rseau
cur)
5.1.2. Canaux logiques de trafic : utiliss pour le transfert des
informations dans le plan
usager
DTCH Dedicated Trafic CHannel : - change de donnes usager avec
un mobile connect au rseau
CTCH Common Trafic CHannel : - envoi de donnes usager en mode
diffusion (groupe de mobiles)
5.2. Canaux de transport : sont le point daccs aux services de
la couche physique
Les canaux de transport se divisent en trois :
5.2.1. Les canaux de transport communs utiliss pour le transfert
dinformation dun ou de
plusieurs UE :
- BCH Broadcast CHannel
- PCH Paging CHannel
- RACH Random Access CHannel
- FACH Forward Access CHannel : canal daccs avanc
- DSCH Downlink Shared CHannel : canal descendant partager
5.2.2. Les canaux de transport ddis DCH Dedicated CHannel :
Qui sont des canaux point point ddis un seul UE et qui
transportent des donnes de
contrle ou de trafic
- un seul canal de transport ddi
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- peut transporter indiffremment des canaux logiques de
signalisation (DSCH) ou de trafic
(DTCH)
5.2.3. Les canaux de transport partags utiliss pour le transport
des donnes de contrle
ou de trafic uniquement en voie descendante et partags
dynamiquement par diffrents
utilisateurs
a) Canaux logiques canaux de transport
b) Canaux de transport canaux physiques
5.3. Les canaux physiques qui sont les ressources utilises sur
linterface radio pour la
transmission des informations.
Les canaux ddis existent dans les deux sens de communication :
la liaison montante et la
liaison descendante.
5.3.1. Canaux Physiques ddis (DPCH)
Ils servent :
alerter un utilisateur ou le rseau
contrlent linformation entre le rseau et lutilisateur et
inversement.
Ils sont diviss en deux sous-groupes mis en parallle :
1. les canaux ddis de donnes (DPDCH) et
2. le canal ddi de contrle (DPCCH), comme illustr sur la figure
suivante.
Chaque canal, en mode FDD, se compose de trames de dure 10 ms.
Chaque trame est divise en 15
intervalles de temps (slots) de longueur 256 chips chacun.
Figure 15 : Structure de la trame du canal DPCH en liaison
montante, UTRA-FDD
Chaque slot possde quatre champs utiliss pour transmettre les
bits pilot, lindicateur TFCI
(Transport Format Combination Indicator), les bits TPC
(Transmission Power Control) et les bits
FBI (Feedback Information).
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Figure 16 : Structure de la trame du canal DPCH en liaison
descendante, UTRA-TDD
5.3.2. Canaux Physiques Communs (PCCH)
En liaison montante il ny a quun seul canal PCCH : cest le canal
alatoire (Physical
Random Access Channel, PRACH).
En liaison descendante, il existe deux canaux : le canal commun
de contrle (Common
Control Physical Channel, CCPCH), le canal de Synchronisation
(Synchronization Channel,
SCH). Ce sont en fait des canaux de contrle. Ils servent mettre
des informations de contrle de
transmission la station mobile.
Figure 17 : Correspondance entre canaux
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6. Les couches
6.1. La couche physique
Figure 18 : la couche physique
6.1.1. Prsentation
La couche physique fournit le service de transfert dinformation
la couche MAC au
travers des canaux de transport.
En mission, les donnes fournies par la couche MAC sont passes
dans une chane de
codage de canal avant dtre transmises sur le mdium physique.
En rception, les donnes reues sur le canal physique sont passes
dans une chane de
dcodage de canal avant dtre remises la couche MAC.
6.1.2. Fonctionnalits
La couche physique effectue :
- Le codage/dcodage canal pour la protection contre les erreurs
sur les canaux de
transport
- Le multiplexage de plusieurs canaux de transport en un bloc
composite CCTrCH
(Code Composite Transport CHannel) et la rpartition de ce CCTrCH
sur un ou
plusieurs canaux physiques ; en rception, le CCTrCH est
dmultiplex sur les
canaux de transport
- Ladaptation du dbit qui consiste rajouter ou retirer des bits
de protection pour
ajuster la taille des donnes la capacit du canal physique
- La modulation et ltalement de spectre ainsi que leur fonction
inverse
- La synchronisation en frquence et en temps
- Le contrle de puissance en boucle ferme
- Lexcution des mesures et lindication des rsultats de mesures
aux couches
suprieures
- Le support de la macro-diversit (un UE peut communiquer avec
plusieurs Nud B
en mme temps)
6.1.3. Fonctionnement
Lenchanement des oprations que la couche physique effectue est
sensiblement le
mme lorsque un canal met du rseau vers le mobile (canal
descendant) ou du mobile
vers le rseau (canal montant).
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Figure 19 : Les oprations de la couche physique
a) contrle derreurs
Le contrle derreurs regroupe : les fonctions dajout du CRC
(Cycling Redundant
Check) et de codage canal. Il permet de protger les informations
contre les erreurs
dues la transmission sur linterface radio.
La dtection derreurs par CRC est une mthode qui consiste ajouter
chaque bloc
de transport des bits de parit qui permettent de dtecter les
erreurs la rception
tandis que la technique de codage canal produit des bits
redondants qui seront
utiliss sur lentit rceptrice pour corriger les erreurs de
transmission.
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Figure 20 : contrle derreur
Il existe deux techniques de codage canal :
- Le codage convolutionnel o le codeur quand il reoit un bit en
sort deux ou trois
selon le taux de codage.
- Le codage Turbo qui peut tre vu comme la concatnation de deux
codeurs
convolutionnels qui oprent en parallle. Il permet datteindre de
taux derreurs
infrieurs 10-5.
b) Concatnation ou segmentation des blocs de transport
La concatnation et la segmentation des blocs de transport
prparent les donnes pour la
phase de codage canal. Lorsque plusieurs blocs de transport dun
mme canal de
transport sont mettre sur un mme intervalle de temps (TTI : Time
Transmission
Interval), les diffrents blocs sont concatns en un bloc unique,
fourni ensuite en entre
la fonction de codage canal.
c) Egalisation ou adaptation du dbit
Lgalisation (ou ajustement) permet dadapter la taille des blocs,
en sortie du codage
canal, la capacit du canal physique, le nombre de bits ntant pas
forcment gal au
nombre de bits dinformation que peut transporter un canal
physique.
Ladaptation du dbit consiste retrancher ou rajouter des bits
dans les flots
dinformation de chaque canal de transport. En effet, le dbit
dans une trame dun canal
physique est limit. De plus, au cours dune connexion, un mme
canal physique peut
convoyer (assurer le transport) des bits dinformation issus de
diffrents canaux de
transport. Il faut donc adapter le dbit la sortie de chaque
canal de transport.
d) 1er et 2me entrelacements
Les fonctions dentrelacement ont pour but de rendre la
rpartition des erreurs plus
alatoire et daugmenter ainsi les performances du correcteur
derreur. Ce procd
consiste mlanger une squence de bits en mission. Il existe 2
catgories de
techniques dentrelacement : lentrelacement par bloc et
lentrelacement convolutionnel.
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Figure 21
e) Segmentation des trames
Cette fonction a pour but de segmenter la squence de bits
contenue dans un TTI
(intervalle de temps de transmission) en un nombre entier de
trames conscutives.
f) Multiplexage des canaux de transport
Chaque canal de transport dlivre une squence binaire code. Ces
squences sont
ensuite concatnes les unes aprs les autres pour ne crer quun
flot binaire unique en
srie : le canal de transport composite cod ou CCTrCH.
g) Segmentation pour le canal physique
Cette fonction est mise en uvre lorsque plusieurs canaux
physiques sont utiliss pour
transporter les donnes dun CCTrCH particulier.
h) Etalement et modulation
Ces oprations adaptent les donnes binaires la transmission sur
linterface radio.
Ltalement de spectre va permettre plusieurs utilisateurs dtre
prsents
simultanment sur une mme bande de frquence.
La modulation utilise sera de type QPSK et va permettre la
transmission.
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6.2. La couche MAC
Figure 22 : La couche MAC
6.2.1. Fonctionnalits
La couche MAC gre laccs au mdium de transmission travers un
ensemble de
fonctions :
- Lassociation des canaux logiques avec les canaux de transport
;
- La commutation, sur ordre de RRC, du type de canal de
transport associ un canal
logique qui permet dadapter dynamiquement les ressources
mobilises lactivit
de la source du trafic ;
- Le contrle du volume de trafic sur chaque canal de transport
actif ;
- La gestion des priorits entre les diffrents flux de donnes dun
utilisateur et entre
les diffrents utilisateurs sur les canaux communs et les canaux
partags par
lagencement (amnagement et arrangement) de leurs trafics ;
- Le multiplexage en mission des donnes de plusieurs canaux
logiques sur un canal
de transport ;
- Le dmultiplexage en rception de plusieurs canaux logiques
supports par un seul
canal de transport ;
- Lidentification des mobiles lorsquils utilisent les canaux de
transport communs.
6.2.2. Les units de donnes du protocole MAC
Lunit de donnes PDU (Protocol Data Unit) du protocole MAC est
compose :
- De la donne transporte SDU (Service Data Unit) qui est reue de
la couche
suprieure RLC
- Dun en-tte optionnel qui est ncessaire pour permettre lentit
rceptrice de
dmultiplexer les diffrents canaux logiques multiplexs sur un
canal de transport
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Figure 23 : Unit de donnes du protocole MAC (MAC-PDU)
Len-tte est compos du champ :
- C/T qui est utilis lorsque plusieurs canaux logiques sont
multiplexs sur un mme
canal de transport. Il est cod sur 4 bits et permet lutilisation
de 15 instances de
canaux logiques supports par un seul canal de transport.
- UE-Id qui est utilis pour identifier le mobile sur les canaux
de transport communs
- UE-Id type qui indique le type didentificateur utilis et
permet le dcodage correct
du champ UE-Id
- TCTF qui identifie le type de canal de transport utilis.
6.3. Les autres couches
RRC (Radio Ressource Control) : gre la connexion de
signalisation tablie entre lUTRAN et le
mobile.
PDCP (Packet Data Convergence Protocol) : compresse les en-ttes
de protocoles des paquets
TCP/IP
BMC (broadcast/multicast control) : assure la diffusion de
message usagers sur linterface radio
pour un service
RLC (Radio Link Control) : assure la transmission fiable
dinformations, en provenance du plan
usager ou du plan de contrle, sur linterface radio entre le
mobile et lUTRAN.
Conclusion
Les rseaux de communications sont en constante volution comme le
laisse apparatre le document
ci-dessous:
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Figure 24 : Passage pour la 4G
Au jour d'aujourd'hui, dautres rseaux sont galement en train de
voir le jour comme
l'HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) de gnration 3,75 mais
galement des rseaux de
4me gnration comme l'HCSDMA (High Capacity Spatial Division
Multiple Access), le
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ainsi
que le LTE (Long Term
Evolution).
Ces rseaux de 4me gnration pourront atteindre des dbits de 100
Mbps et fournir
toujours plus de service aux usagers.
Figure 25 : Du UMTS vers lLTE
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Suivant la qualit de service (QoS : Quality of Service) dsire,
les canaux TC peuvent tre
multiplexs, comme illustr sur la figure suivante. Cela consiste
regrouper plusieurs canaux
parallles pour nen former quun ou plusieurs, afin davoir une
meilleure occupation de la bande
passante alloue. Cest dans ces canaux que les donnes sont codes,
tales et mises sur porteuse.
Ce sont donc des canaux dadaptation avec les supports de
transmission.
Multiplexage des canaux de transport, UTRA-FDD
4.1.2. Canaux Physiques ddis (DPCH)
Les canaux ddis existent dans les deux sens de communication :
la liaison montante et la
liaison descendante.
Ils servent alerter un utilisateur ou le rseau, contrlent
linformation entre le rseau et
lutilisateur et inversement. Ils sont diviss en deux
sous-groupes mis en parallle : les canaux
ddis de donnes (DPDCH) et le canal ddi de contrle (DPCCH), comme
illustr sur la figure
suivante. Chaque canal, en mode FDD, se compose de trames de
dure 10 ms. Chaque trame est
divise en 16 intervalles de temps (slots) de longueur 256 chips
chacun.
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Structure de la trame du canal DPCH en liaison montante,
UTRA-FDD
4.1.3. Canaux Physiques Communs (PCCH)
En liaison montante il ny a quun seul canal PCCH : cest le canal
alatoire (Physical
Random Access Channel, PRACH).
En liaison descendante, il existe deux canaux : le canal commun
de contrle (Common
Control Physical Channel, CCPCH), le canal de Synchronisation
(Synchronization Channel,
SCH). Ce sont en fait des canaux de contrle. Ils servent mettre
des informations de contrle de
transmission la station mobile.
5. Le CDMA de l'UMTS
Les deux modes de fonctionnement possible, W-CDMA et TD-CDMA
utilisent tous les
deux un accs CDMA 3.84 Mchips/sec dans une canalisation
frquentielle de 5 MHz.
Lintrt dune telle largeur de bande est quelle est compatible
avec la fourniture de dbits
384kbits/s, comme requis dans les spcifications de lIMT 2000,
voire mme 2Mbits/s sous
certaines conditions. La modulation utilise est la QPSK.
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Deux options ont t retenues pour le codage de canal :
- Un codeur convolutionnel de taux ou 1/3 associ un FEC (Forward
Error Correction) ;
- Un turbocodeur, recommand pour les services de trs haute
qualit ;
Des tudes sur l'emploi de modulations plus efficaces (ex QAM16)
sont actuellement
tudies (solutions HSDPA, High Speed Downlink Packet Access,
>10Mbit/s).
Les deux paragraphes qui suivent vont prciser quelques dtails
techniques des deux modes
d'accs.
Le codage :
Le codage consiste ajouter de la redondance au train binaire
mettre. Ceci permet de le protger
contre les erreurs uniformment distribues dans la chaine de
transmission. Suivant la qualit de
service offrir (QoS) en termes de taux derreur binaire (TEB),
deux principaux schmas de codage
existent :
1. codage convolutif pour un TEB = 103, et pour un TEB =
106.
2. Pour des dbits trs levs (suprieurs 32 kbps), des turbo-codes
sont utiliss.
Enfin il peut y avoir des codeurs spcifiques, par exemple pour
la voix, en plus des autres codeurs.
Suivant les contextes dutilisation, deux principales techniques
de codage (ou de dcodage plus
exactement) existent :
En transmission de parole en temps rel, on ne peut pas
habituellement retransmettre un bloc
de parole numris sur lequel des erreurs ont t dtectes. On
utilise alors des procdures de
dcodage avec correction derreurs FEC (Forward Error Correction).
Les codes associs cette
technique sont des codes linaires en bloc, cycliques ou
convolutifs.
Dans la plupart des rseaux de transmission de donnes o lon
dispose dune voie de retour
(liaisons full ou half duplex) les stratgies du type ARQ
(Automatic Repeat reQuest) sont utilises :
lorsque lon dtecte une erreur sur un bloc reu, on demande sa
retransmission en mettant par
exemple un signal dit "non-accus de rception" sur la voie de
retour.
Enfin, des stratgies mixtes FEC/ARQ peuvent tre utilises dans
certaines applications de type
"tlcommande".
Ces donnes sont ensuite multiplexes, et envoyes
lentrelaceur.
Lentrelacement :
Le rle de lentrelaceur est dtaler temporellement les mots
dinformations cods afin de les
protger, en rception, contre des paquets derreurs ds aux trajets
multiples du canal de
transmission ou aux sources de bruit. Lentrelacement consiste
rarranger les symboles
informatifs cods de sorte que les symboles correspondant un mot
de code soient spars dune
distance suprieure la longueur typique dun paquet derreurs. Il
existe deux types
dentrelacement :
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1. lentrelacement convolutionnel, dfini par exemple dans les
normes DVB de tlvision
satellite et terrestre que nous citons sans en expliquer le
principe ;
2. lentrelacement par blocs dont le principe est le suivant :
les donnes sont crites par
colonnes, puis les lignes de la matrice ainsi forme sont
permutes laide de la technique du bit
reversal code sur 6 bits. Enfin, les donnes sont lues par
colonnes.
Etalement de spectre :
Ltalement de spectre a pour but dlargir la bande passante du
signal, tout en conservant la
puissance moyenne, mais en baissant le niveau spectral.
Il existe deux principales techniques dtalement de spectre :
1. ltalement par sauts de frquence (FHSS)
2. ltalement par squence directe (DSSS).
La deuxime cite tant la plus utilise dans les transmissions de
type CDMA.
Les squences de GOLD longues, relles ou complexes, sont souvent
utilises pour taler le spectre
dans les transmissions de type CDMA.
En effet partir dun polynme de degr fix, il est possible de
gnrer un nombre considrable de
squences de GOLD. Cela permet de rpondre la demande croissante
du nombre dutilisateurs sur
un mme canal de transmission.
Lintrt majeur des squences de GOLD est la faible intercorrlation
entre deux squences dune
part, et leur grand nombre dautre part. En effet
lintercorrlation entre les squences doit tre
suffisamment faible pour que linterfrence entre les utilisateurs
ne compromette pas la dtection.
Dautre part, une faible autocorrlation (sauf en zro o elle est
maximale) est souhaitable pour
faciliter la synchronisation du rcepteur sur la squence
pseudo-alatoire dun utilisateur donn.
Toutefois, pour certaines applications, il est intressant
dutiliser des squences pseudo-alatoires
intercorrlation nulle : ce sont les squences dHADAMARD ou de
WALSH. Malheureusement, ces
squences perdent leur orthogonalit par dcalages temporels.
Par consquent, cela ncessite une synchronisation parfaite au
niveau du rcepteur.
Dans la norme UMTS, en liaison montante, les codes dtalement
(Channelization Code), dits
Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) (dont la
construction est reprsente sur la figure
1.5) qui sont en fait des squences de WALSH, sont utiliss pour
la sparation de voies, comme
illustr sur la figure 1.6.
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Dans une cellule, tous les codes ne sont pas tous utiliss
simultanment. Un code peut tre
utilis si et seulement si aucun autre code dans le chemin du
code spcifique utilis jusqu la
racine de larbre, ou sur le sous-arbre en dessous du code spcifi
nest utilis dans la mme cellule.
Cela entrane que le nombre de Channelization Code nest pas fixe
mais dpend du dbit et du
facteur dtalement (SF) de chaque canal physique. A chaque
connexion est allou au moins un
Channelization Code, qui est utilis pour taler le canal DPCH en
liaison montante. Dans la plupart
des cas, au moins un Channelization Code supplmentaire est allou
pour un canal DPCH en liaison
montante. Dautres Channelization Code doivent tre allous sil y a
plus dun canal DPDCH
requis. Comme les diffrentes stations mobiles utilisent des
codes de scrambling diffrents, le
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Channelisation Code peut tre allou sans coordination entre les
diffrentes connexions. Le
Channelization Code est donc toujours allou dans un ordre
prdfini.
Certaines tudes ont montr que lutilisation des squences de
TRACHTENBERG pour les
transmissions de type CDMA permet dobtenir des performances bien
meilleures ( rapport signal
sur bruit et efficacit spectrale identiques) quavec des squences
de GOLD. Cependant, ces
squences sont peu ou pas utilises dans les diffrents standards,
du fait de la complexit de leur
mise en uvre. En effet, ces squences sont des codes polyphases
(c--d, dont les symboles sont des
racines complexes de lunit), et ncessitent un dcodage
(dstalement) par sphre.
Certaines squences telles que celles de KASAMI sont aussi
utilises pour des transmissions
talement de spectre, mais pour des mthodes couples squence
directe et sauts de frquence.
Dautres squences, telles que les squences de BAKER, sont
utilises pour les systmes radar
ou dans la norme IEEE802.11b. Dautres encore sont utilises pour
ltalement de spectre, leurs
proprits ne sont pas dtailles ici.
Embrouillage (scrambling) :
Le scrambling, dans le bloc 3, consiste multiplier les donnes en
sortie de lentrelaceur par une
squence pseudo-alatoire (PN-Sequence) afin de diffrencier les
donnes provenant dautres
canaux physiques : cest la sparation de voie. Ainsi, les donnes
ne seront pas perdues aprs
multiplexage avec dautres canaux de transport. Suivant le sens
de la communication, deux familles
de codes sont utilises pour le scrambling :
1. En liaison montante, les codes courts complexes forms partir
des codes dits VLKC
(Very Large Kasami Codes) de longueur 256, et des codes longs
construits comme la somme
modulo 2 de deux squences de longueur maximale (m-squence), gnrs
partir de
polynmes primitifs coefficients dans GF(2) de degr n = 41 sont
employs. Ces codes sont
utiliss lorsquil ny a pas de dtection multi-utilisateurs la
station de base.
2. En liaison descendante, les squences de GOLD obtenues grce
des polynmes primitifs
de GF(2) de degr n = 18 sont utiliss. Il en existe 512 diviss en
32 groupes de 16.
Les codes de brouillage sont rpts toutes les 10 ms, qui est la
dure dune trame radio. La figure
1.7 reprsente le scrambling dans un canal DPCH en liaison
descendante.
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Bloc de modulation, exemple de lUTRA en mode FDD :
Dans tous les canaux physiques la modulation, dans le bloc 4 de
la chane de transmission est la mme. Le
dbit chip (dbit des lments de la squence dtalement) est gal
4,096 Mcps. On peut laugmenter
jusqu 8,129 ou 16,384 Mcps. Le filtre dmission est un filtre en
Racine de Cosinus Surlev (RCS) de
coefficient de roll-off ou coefficient de retombe = 0,22, dont
la rponse impulsionnelle est donne par
cette quation :
O Tc=1/Dc, avec Dc le dbit chip, c--d le dbit des lments de la
squence dtalement.
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La rponse impulsionnelle du filtre dmission est reprsente sur la
figure 1.8. Enfin, dans
la norme UMTS par exemple, deux types de modulation sont
utilises suivant le sens de la
communication. En liaison descendante, la constellation utilise
est une QPSK, tandis quen liaison
montante, une BPSK est utilise.
Aprs avoir prsent les diffrents blocs qui composent une chane de
transmission
simplifie de type 3G, nous rsumons dans la section suivante, les
principaux rsultats du bloc
dtalement.
Rsum sur les blocs dtalement et dembrouillage :
Nous en rsumons les principales caractristiques, et ce, suivant
le sens de la communication :
En liaison montante (UL), les codes OVSF (Orthogonal Variable
Spreading Factor) servent sparer les
diffrents canaux, provenant de la mme source ; et les squences
de GOLD de longueur 225 1 ou 2411
servent sparer les utilisateurs, le facteur dtalement est SF=
4,8, ,256.
En liaison descendante (DL), les codes OVSF servent sparer les
diffrents canaux, provenant de la mme
source ; et les squences de GOLD de longueur 218 1 ou 241 1
servent sparer les utilisateurs et
diffrencier les cellules, le facteur dtalement est SF= 4,8,
,512.
Notons que suivant les normes, les blocs 2 et 3 dcrits
prcdemment peuvent tre inverss. Enfin, le
tableau 1.2 reprsente les paramtres importants de linterface
radio de la norme UMTS (UTRA), dont ceux
du bloc dembrouillage (bloc 3).