De la modulation OFDM à WiMAX

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1 S olutions COMMUNICATIONS RADIO De la modulation OFDM à WiMAX Les techniques de communication sans fil sont aujourd hui accessibles à tous. De nombreux standards sont opérationnels, les performances s améliorent, les tailles des équipements diminuent, les prix baissent. Malgré tout, le sans fil est très loin d avoir atteint son potentiel. Avec l arrivée de WiMax (norme ) et ses débits très élevés, un nouveau champ d applications (l internet mobile, par exemple) va se développer. La mise en œuvre de cette technologie représente un nouveau défi pour l instrumentation électronique. Agilent Technologies explique ici les principes de ce standard, et notamment l OFDM, qui en constitue un des piliers. Impossible de savoir où le mouvement va s arrêter. Les applications de communications sans fil ne cessent de se développer. Aujourd hui, il est possible d accéder à Internet dans des espaces publics comme les aéroports, les commerces, les restaurants et les hôtels, et même de regarder la télévision sur les téléphones portables. Si tout ceci est devenu possible, on le doit aux avancées réalisées dans les études théoriques (surtout dans les mathématiques), mais également aux différents progrès des technologies. Pour beaucoup, ce n est qu un début. Pour la suite, de nouvelles techniques de communications vont se voir confier un rôle Comparaison d un signal FDM et d un signal OFDM Garde Réduction de bande Signal FDM Fréquence Signal OFDM Contrairement aux anciennes modulations FDM (Frequency Division Multiplexing), les sousporteuses d une modulation OFDM sont orientées de façon orthogonales (déphasage de 90 ) et elles peuvent donc se chevaucher partiellement sans interférences mutuelles. Pour transmettre des données d un débit donné, il faut donc une bande de fréquences moins importante. L instrumentation électronique doit évoluer en permanence pour permettre de s adapter aux nouveaux protocoles de communication sans fil, notamment les protocoles haut débit tels que WiMAX. Pour faciliter la mise au point des applications, on s appuie surtout sur les analyseurs de signaux vectoriels. important pour permettre la réalisation d applications sans fil à très haut débit. C est le cas de l OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), qui se retrouve notamment dans WiMAX (IEEE ), DVB et UWB. En fait, les origines de l OFDM remontent à 1930 lorsque les célèbres laboratoires de recherche Bell ont développé une nouvelle technique d accès pour le canal radio, qui succéda au FDM bien établi, et fut appelée OFDM. L intérêt pour cette technologie a connu un renouveau à partir du milieu des années soixante, avec le développement de l algorithme de la transformée de Fourier rapide (FFT). Cet intérêt est encore amplifié actuellement avec le développement des technologies de communications émergentes pour les très hauts débits. Le principe de l OFDM consiste à diviser sur un grand nombre de porteuses le signal numérique que l on veut transmettre. Le débit (R bit/s) est réparti sur N porteuses parallèles, chacune ayant son propre débit de R/N bit/s. Pour que les fréquences des porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre le maximum d information sur une plage de fréquences donnée, l OFDM utilise des porteuses orthogonales entre elles (déphasées de 90 ). Les sous-porteuses OFDM sont alignées de telle sorte que les valeurs nulles du spectre d une sous-porteuse coïncident avec les pics de fréquence des sous-porteuses adjacentes, ce qui entraîne un chevauchement spectral partiel. Le chevauchement partiel des signaux des sousporteuses permet de réduire la bande occupée sur le canal. Mais grâce à l orthogonalité, il n y a pas d interférences entre les porteuses. Le signal à transmettre est généralement répété sur différentes fréquences porteuses. Ainsi, dans un canal de transmission avec des chemins multiples où certaines fréquences seront détruites à cause de la combinaison destructive de che- L essentiel L OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est un des piliers de WiMax et de WiMax mobile. Cette technique consiste à utiliser plusieurs porteuses pour transmettre les données. Les porteuses successives sont déphasées de 90, ce qui permet d économiser la bande passante (les porteuses peuvent même se chevaucher en partie, sans que cela pose des problèmes d interférences). 39

2 Spectre d un signal OFDM Les sous-porteuses OFDM sont alignées de telle sorte que les valeurs nulles du spectre d une sous-porteuse coïncident avec les pics de fréquence des sous-porteuses adjacentes, ce qui entraîne un chevauchement spectral partiel. Construction d un signal OFDM monoporteuse Symbole à transmettre et son format de modulation Transformée de Fourier inverse (ifft) Durée du symbole Création d un flux de données en utilisant une monoporteuse mins, le système sera tout de même capable de récupérer l information perdue sur d autres fréquences porteuses qui n auront pas été détruites. De la modulation QAM à l OFDM Pour expliquer plus en détail la technique utilisée pour créer un signal OFDM, imaginons que l on veut transmettre deux signaux I et Q avec une modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Le signal transmis s est donné par l équation : s(t) =I(t) cos(2πf 0 t) + Q(t) sin(2πf 0 t) Autrement dit, les deux signaux (I et Q) sont transmis en modulant l amplitude de deux ondes porteuses, de fréquence identique mais déphasées de 90. Il s agit donc d une modulation d amplitude en quadrature (Quadrature Amplitude Modulation). Avec la modulation QAM, on peut transmettre une plus grande quantité d informations sur une bande de fréquence réduite. Dans les applications numériques, le signal modulant est quantifié selon ses composantes en phase ( I pour in phase ) et à 90 ( Q pour quadrature ). Il est possible de transmettre plusieurs bits en une seule fois. L ensemble des combinaisons d amplitudes, vu sur un diagramme en (x, y), est appelé constellation QAM. Le nombre de bits de la constellation est précisé dans le chiffre placé juste devant le sigle QAM. Par exemple, une constellation 2- QAM correspond à 2 1 bits (1 bit), une constellation 4-QAM à 2 2 bits (2 bits) et ainsi de suite jusqu à QAM, qui équivaut à 2 12 bits, soit 12 bits. Chaque phase, fréquence ou amplitude sert à encoder un certain nombre de bits. Cet ensemble de bits est appelé symbole. Imaginons une modulation QAM simple, à une fréquence donnée. Chaque symbole vaut 2 bits. Pour transmettre ce symbole sur une sous-porteuse OFDM, l amplitude et la phase de la sous-porteuse sont déterminées à partir du symbole lui-même. Généralement, les N symboles à transmettre (s 0, s 1,.,s n-1 ) génèrent N nombres complexes (z 0, z 1, z n-1 ). Une transformée de Fourier rapide inverse (IFFT) est exécutée sur ces nombres complexes, générant une série d échantillons dans le domaine temporel qui sont alors transmis sur le canal en QAM. Si l on élargit l algorithme à un plus grand nombre de porteuses, le processus employé pour créer un signal OFDM multiporteuses devient évident. 40

3 Il est important de souligner que le schéma de modulation associé aux porteuses OFDM peut changer de façon dynamique en fonction de l état du canal. Ainsi, il devient possible de favoriser : - la vitesse de transmission dans des emplacements exempts d obstructions, quand il y a, par exemple, visibilité directe (LOS) entre l émetteur et le récepteur, - une transmission robuste en présence de perturbations sur le canal (par exemple, l atténuation). Au niveau du récepteur, la démodulation du signal implique l utilisation d une transformée de Fourier rapide (FFT) pour extraire les composantes réelles et imaginaires du symbole et obtenir ainsi les informations. La technique OFDM permet de diviser un canal sujet aux distorsions en plusieurs sous-canaux stables parallèles. Dans le cas d un environnement multitrajets, τ est le retard temporel entre la composante symbolique obtenue à partir du trajet le plus court (par exemple, celui en visibilité directe) et la dernière composante associée au trajet le plus long. Ces différences sont le fruit d échos survenant sur les différents trajets entre l émetteur et le récepteur. La largeur de bande de concordance (B c ) 1 = τ se définit par le rapport : B c Si la largeur de bande du signal (B) est supérieure à la largeur de bande de concordance (B>> B c ), il existe un risque d interférences entre symboles (ISI). En OFDM, la largeur de bande du signal (B) est divisée en un ensemble de soussignaux d une sous-bande = B/N, tels que chaque sous-largeur de bande soit inférieure à la largeur de bande de concor- Génération d un signal OFDM multiporteuses Symboles à transmettre et leur format de modulation L association symbole / porteuse spécifique est généralement spécifiée par le protocole. Reconstruction d un signal OFDM 41

4 Exemples de vues obtenues sur l écran d un analyseur vectoriel Agilent Réponse en fréquence d un signal WiMAX avec une bande passante de 7 MHz Analyse de la composition d une trame WiMAX Temps de réponse d une trame IEEE Réponse en fréquence du préambule de la trame d une liaison descendante dance, ce qui se traduit par une résistance accrue aux interférences entre symboles provoqués par les trajets multiples. De l OFDM à WiMAX Voyons maintenant comment la technique OFDM est mise en œuvre dans le protocole WiMAX. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une technologie d accès sans fil large bande basée sur le protocole IP, dont l objet est de fournir un accès large bande dans les zones où il n existe pas de réseaux téléphoniques ou câblés. A ce titre, WiMAX doit pouvoir couvrir des zones sans visibilité entre l utilisateur et l émetteur (NLOS) et à des distances allant jusqu à 30 kilomètres. WiMAX est spécifié par la norme IEEE pour les gammes 2,5 2,69 GHz et 3,4 3,6 GHz ; la bande occupée totale peut être comprise entre 1,25 MHz et 20 MHz. Par rapport à la technique OFDM, la norme WiMAX stipule l utilisation de ou 256 porteuses de trois types : données, pilote, inutilisée (nulle). S il y a 256 porteuses, un certain nombre fait office d intervalle de garde (56 porteuses inutilisées) et 200 seulement seront effectivement utilisées. Sur ces 200 sous-porteuses, 192 transportent les données et 8 sont des pilotes. Pour les porteuses pilotes, on utilise la modulation BPSK. Pour les porteuses de données, la norme spécifie les modulations BPSK, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM (comme elles font appel à des amplitudes différentes, les constellations QAM ne se chevauchent pas), selon la robustesse du canal. La transmission est initiée à l aide de la modulation la plus simple (BPSK). Le canal est évalué par un processus adaptatif et, dans la mesure du possible, une modulation d ordre supérieur est mise en œuvre, ce qui a pour effet d augmenter le débit du canal. La structure de trame La norme IEEE spécifie deux modes de duplexage de canal, le TDD (duplex par répartition temporelle) et le FDD 42

5 Analyse de la constellation d un signal WiMax. L analyseur vectoriel permet de mettre en évidence tous les types de modulation présents dans la trame. (duplex par répartition en fréquence). Dans le cas du TDD, le burst (flux de données) de liaison descendant est suivi d un ou plusieurs bursts de liaison montant donnant au total une trame de durée comprise entre 2,5 et 20 millisecondes (la norme spécifie 7 durées de trame différentes.) Un court intervalle de garde est placé entre les bursts de liaison descendante et de liaison montante, désigné sous le nom d espace d émission/réception (TRG). De même, après le dernier burst de liaison montant, un autre intervalle de garde précède la trame suivante, appelé espace de transition réception/émission (RTG). La durée des deux intervalles de garde est déterminée par la norme, en fonction de la bande occupée sur le canal et de la durée du symbole OFDM. La trame de liaison descendante débute par deux symboles OFDM (modulation QPSK) utilisés pour la synchronisation du récepteur et pour l estimation du canal. Ces deux symboles constituent le préambule long. Le préambule est suivi de l en-tête de contrôle de trame (FCH). Dans le FCH, le préfixe de trame de liaison descendante (DLFP) spécifie le type de modulation et le nombre de symboles associés aux bursts ultérieurs. La modulation et le codage utilisés par le burst suivant immédiatement le FCH sont spécifiés, dans le DLFP, par le Rate_ID, conformément au tableau ci-contre. L en-tête contient notamment deux informations : le code affecté à la station de base (BSID) et le code d utilisation d intervalle de liaison descendante (DIUC), similaire au Rate_ID, mais renvoyant aux profils des rafales suivant la première dans la trame de liaison descendante et dans la trame de liaison montante. Les données qui suivent la partie consacrée au FCH peuvent varier entre 12 et 108 octets, en fonction du type de modulation et du codage utilisés. Dans le premier symbole du préambule de liaison descendante, la norme ne prévoit pas l utilisation des 200 sous-porteuses. Au contraire, un sous-ensemble de 50 sous-porteuses OFDM est utilisé, sans occuper la fréquence centrale. Le préambule de liaison descendante est transmis avec 3 db de puissance supplémentaire par rapport aux données, afin de faciliter la réception, la démodulation, et en fin de compte, le décodage. De même, la trame de liaison montante s initie avec un signal OFDM que la station de base utilise pour la synchronisation avec l émetteur. Ce symbole s appelle le préambule court. Roberto Sacchi Agilent Technologies Rate_ID Modulation Rate RS-CC BPSK QPSK QPSK QAM QAM QAM 2/ QAM Libre 43