Réseaux Mobiles. Chap3: Techniques d accès multiples dans les réseaux cellulaires. Rhouma Rhouma.

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1 1 / 73 Réseaux Mobiles Chap3: Techniques d accès multiples dans les réseaux cellulaires Rhouma Rhouma École Supérieure d Économie Électronique 2eme année Master Pro MBDS

2 2 / 73 Plan 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

3 3 / 73 Plan Duplexing 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

4 4 / 73 duplex Duplexing

5 5 / 73 FDD Duplexing FDD : Frequency Division Duplexing offre deux bandes fréquentielles pour chaque utilisateurs. Communication Duplex = 2 canaux Simplex.

6 6 / 73 FDD exemples Duplexing

7 7 / 73 TDD Duplexing TDD : Time Division Duplexing offre des time slots (au lieu de bandes fréquentielles) pour le Downlink et l Uplink. Réception et émission se font sur la même fréquence porteuse. Utilisé en blutooth et Mobile WiMAX.

8 Duplexing Problèmes et avantages de FDD 8 / 73 Avantages : Transmission uplink et downlink en continue (sans rupture) Pas d interférence entre l uplink et le downlink (si la bande de garde est suffisamment large) Problèmes : Allocation du trafic inflexible nécissité de bandes de garde Pas le même canal entre émetteur et récepteur Nécessité d un duplexer FDD nécessite une paire de canaux fréquentiels

9 Duplexing Problèmes et avantages de TDD 9 / 73 Avantages : nécessite seulement un seul canal fréquentiel Le duplexer est inutile Assure la réciprocité du canal = Meilleur adaptation du canal (presque le même canal) Allocation du trafic dynamique Problèmes : Nécessité d incorporer des périodes de garde(rtd) pour éviter les interférences entre Uplink et Downlink ce n est pas une communication Duplex dans le vrai sens du terme! cross-slot interference Nécessite synchronisation entre les différents utilisateurs et BTS

10 Duplexing Accès Multiple/Duplexing ds les standrads 10 / 73

11 11 / 73 Plan 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

12 12 / 73 Plan Prncipe 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

13 13 / 73 Accès multiple au support Prncipe

14 14 / 73 Techniques d accès multiple Prncipe 1 Structuré : centralisé FDMA : Frequency Division Multiple Access TDMA : Time Division Multiple Access SSMA : Spread Spectrum Multiple Access FHMA : Frequency hopping Multiple Access (ou FH-CDMA) CDMA : Code Division Multiple Access (ou DS-CDMA). DS pour Direct Sequence SDMA : Space Division Multiple Access 2 Accés aléatoire ALOHA CSMA/CA : Carrier Sence Multiple Access/ Collision Avoidance

15 15 / 73 Autre Classification Prncipe

16 16 / 73 Prncipe MA techniques ds les standards cellulaires

17 17 / 73 Plan FDMA 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

18 18 / 73 FDMA FDMA La bande passante est divisé en sou-bandes (canaux) Un canal supporte 1 seul utilisateur Utilisé dans les systèmes 1G (analogique) Si un canal FDMA n est pas utilisé par son utilisateur assigné, il reste idle. = perte de ressources.

19 19 / 73 Exemple système FDMA FDMA AMPS : Advanced Mobile Phone System 1er réseau cellulaire en USA basé sur FDMA/FDD nb total de canaux : N = B t 2B guard B c avec B t : bande spectrale totale B guard : bande de garde alloué au bord de la bande de fréquences B c : Largeur de bande du canal

20 20 / 73 Plan TDMA 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

21 21 / 73 TDMA TDMA Une fréquence porteuse est partagé entre différents abonnées en time slots (intervalles de temps) chaque utilisateur utilise un (time slot =canal) la transmission est discontinue (en bursts) = les données doivent être numériques et les modulations aussi Ceci peut diminuer la consommation de puissance.

22 22 / 73 Frame TDMA TDMA Preambule : Informations sur les adresses et la synchronisation du BTS et des abonnées. Guard time : Pour la synchronisation des abonnées entre differents slots pour eviter les cross-talk.

23 23 / 73 TDMA uplink et downlink TDMA

24 24 / 73 Canaux en TDMA TDMA Nb de canaux temporels : nb de slots mulitplié par les canaux fréquentiels disponibles N = m(b tot 2B guard ) B c m : nb d utilisateurs TDMA maximal dans chaque canal fréquentiel B tot : La bande passante totale du système B guard : bande de garde dans chaque coté de la bande passante B c : bande passante de chaque canal.

25 25 / 73 Plan Exemples 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

26 26 / 73 Exemple 1 Exemples Le GSM qui est un système TDMA/FDD qui utilise 25 MHz pour la connexion montante (uplink) divisée en canaux fréquentiels de 200 KHz. On assume qu il n ya pas de bandes de garde. Si 8 canaux de paroles sont supportés dans chaque canal fréquentiel, trouver le nb d utilisateurs que peut supporter GSM simultanément. Solution nb d utilisateur simultané : N = 25 MHz 200 KHz/8 = 1000 Donc le GSM peut supporter 1000 utilisateurs. Ceci sans considérer la réutilisation de fréquence ni la théorie de trafic.

27 27 / 73 Exemple 2 Exemples GSM utilise une structure de frame (trame) qui consiste en 8 time slots. Chaque time slot contient bits. Les données sont transmises à un débit Kbit/s. Trouver (a) La durée d un bit (b) la durée d un time slot (c) La durée d une trame (frame) (d) Combien de temps un utilisateur qui utilise un time slot doit patienter entre deux transmissions successives. Solution = µs (b) Durée d un slot : T slot = T b = ms (c) Durée d une trame (frame) : T f = 8 T slot = ms (d) un utilisateur doit attendre ms, le temps q une nouvelle trame arrive pour retransmettre à nouveau (a) Durée d un bit : T b = Kbit/s

28 28 / 73 Exemple 3 Exemples Si un time slot d un GSM consiste de 6 trailing bits, 8.25 bits de garde, 26 bits d apprentissage, et deux bursts de trafic ( données pures) de 58 bits. Trouver l efficacité de cette trame : pourcentage de données pures par rapport aux données réelles. Solution Un time slot contient = bits Une trame contient = 1250 bits Le nb de bits d entête (overhead) est : b OH = = 322 bits L efficacité de la trame est : η f = [ ] 100 = %

29 29 / 73 Exemples Exemple 4 : TDMA avec debits differents un système à deux canaux de 64 kbit/s chacun et un canal de 640 kbit/s sont multiplexés en utilisant le multiplexage temporel (TDM). Si l entrelacement est fait au niveau d un octet (8 bit), déterminer : 1 la structure de la trame de durée minimale 2 la durée de cette trame 3 la vitesse de transmission du multiplexeur (en kbps) Répondre aux mêmes questions (1, 2 et 3) si l entrelacement est fait au niveau d un seul bit (1 bit).

30 30 / 73 Solution Exemples Structure de la trame (3 time slots, chacun pour chaque canal) : 8 bits Durée de la trame : 64 Kbps = 125 µs Vitesse de transmission du multiplexeur : 12 8 bits 125 µs = 768 Kbps Si l entrelacement est fait au niveau d un seul bit (1 bit), la structure de la trame est comme suit : 1 bit Durée de la trame : 64 Kbps = µs Vitesse de transmission du multiplexeur : 12 bits µs = 768 Kbps

31 31 / 73 Plan SSMA 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

32 32 / 73 SSMA SSMA Spread spectrum Multiple Access Frequency Hopping Multiple Access Code division multiple access

33 33 / 73 Spread Spectrum (SS) SSMA Spread Spectrum(Étalement de spectre) : Développé initialement pour les communications sécurisées à utilisation militaire (Lamar contre les Nazis en WWII) Difficulté d interception pour une personne non-authorisé Facilement caché sous le niveau de bruit : difficulté de détecter sa présence pour les non-autorisés Immunise le signal contre le fading multi-trajets (small-scale fading) Capacité d accès multiple asynchrone avec le SS Utile pour la localisation et le timing (GPS) Appliqué dans les réseaux cellulaires 2G (IS-95 : cdmaone) et 3G (cdma2000, UMTS) Appliqué dans les WLAN 2G Appliqué dans Le système GPS

34 34 / 73 Spread Spectrum (SS) SSMA L étalement du spectre se réfère à tout système qui satisfait les conditions suivantes : 1 L étalement de spectre peut être considéré comme un schéma de modulation, dans lequel la largeur de bande du signal modulé est beaucoup plus grande que celle du message. 2 L étalement spectral est effectuée par un code qui est indépendant du signal de message Ce même code est également utilisé au niveau du récepteur pour désétaler le signal reçu afin de récupérer le message à partir du signal étalé Dans une communication sécurisée, ce code est connu seulement à la personne à qui le message est destiné

35 35 / 73 SSMA Spread Spectrum (SS) : FHSS Invention de Hedy Lamar en 1942 Pour proteger les transmissions contre le brouillage utilisée dans le standard Bluetooth et IEEE802.11

36 36 / 73 SSMA exemple : FHSS dans Bluetooth l information est transmise sur une frequence pendant un time-slot de 625 µs les sauts en fréquence (1/625µs = 1600 sauts par seconde) ont une amplitude de 6 MHz au minimum et sont déterminés par calcul a partir de du maître et de l horloge ils sont donc aussi connus par le récepteur qui change de fréquence de manière synchrone avec l emetteur pour récupérer le signal transmis chaque reseau ou piconet utilise une succession de frequences differentes, et la probabilite de brouillage ou de collision reste faible en cas de brouillage les données perdues seront retransmises dans le time-slot suivant

37 37 / 73 SSMA exemple : FHSS dans Bluetooth Chaque liaison utilisant la technique FHSS occupe donc, à cause des sauts de fréquence, la totalité de la bande de fréquence ISM. Les signaux perturbateurs ne perturbent la liaison que de temps en temps et pour une durée limitée à un time-slot.

38 38 / 73 SSMA Spread Spectrum (SS) : DSSS DSSS : Direct Seqiuence SS consiste à mélanger le signal binaire à une séquence numérique pseudo aléatoire de débit plus élevé. Dans cet exemple, le signal modulant a un débit 5 fois plus élevé. DSSS est utilisée dans le standard IEEE802.11b et pour l UMTS.

39 N = T b T c 39 / 73 DS/SS SSMA Direct Sequence / Spread sprectrum Le signal Message m(t) de débit 1/T b bits/s PseudoNoise signal : PN sequence ou code c(t) de débit 1/T c chip/s Le signal étalé est y(t) Le spreading factor est N :

40 40 / 73 SSMA pourquoi donc DSSS et FHSS Dans les 2 cas, la bande occupée est plus large que celle qui est nécessaire à la transmission des informations. Mais l avantage de ces techniques est une forte insensibilité aux brouillages.

41 Le signal reçu de chaque trajet indésirable est une version retardée du signal DS/SS. Le signal DS/SS a une auto-corrélation faible (similarité faible) avec ses versions retardés surtout lorsque le délai dépasse la durée d un chip. Le signal retardée, qui sera considéré comme une interférence, ne sera pas desétalé par c(t) ce qui va diminuer l effet des signaux multi-trajets. DS/SS sert à diminuer l effet multi-trajets, mais aussi il peut l exploiter pour augmenter la qualité de réception : Ceci peut être accompli par un récepteur RAKE (Râteau) Rake est un récepteur qui combine les signaux reçus par différents trajets, pour participer à augmenter la puissance du signal utile, ce qui donne une diversité à la réception. Rake consiste d un banc de corrélateurs, chaque corrélateur mesure la ressemblance du signal de chaque multi-trajet. En ajustant les différents délais, les signaux multi-trajets sont combinés pour contribuer à la construction du signale utile. 41 / 73 SSMA Immunité contre le fading Multi-trajets

42 42 / 73 Plan Spread spectrum et Acces Multiple 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

43 43 / 73 Spread spectrum et Acces Multiple Spread Spectrum et Multiple Access Bien qu on utilise une BW très large pour transmettre le signal étalé, on peut faire : Le multiplxage : on peut multiplexer plusieurs signaux étalés dans la même bande Accès multiple : Plusieurs utilisateurs partage le meme bande d étalement de spectre sans s interférer Réalisé en assignant un code différent pour chaque utilisateur. Les bandes de fréquences peuvent être réutilisées sans tenir compte de la distance de séparation des utilisateurs.

44 44 / 73 FHMA Spread spectrum et Acces Multiple Faire des sauts de fréquences pour étaler le signal sur toute la bande N B N est le nombre de fréquence porteuses disponibles B est la largeur de bande du signal FHMA : Chaque utilisateur U i peut avoir son propre code d étalement C i = {f 1i, f 2i,..., f ni } pour accéder au réseau où f 1i {f 1, f 2,..., f n }

45 45 / 73 DS-CDMA Spread spectrum et Acces Multiple

46 46 / 73 DS-CDMA Spread spectrum et Acces Multiple Pour que le récepteur puisse desétaler le signal reçu y(t), il faut qu il : Connaît le code c(t) utilisé par l émetteur. Synchronize le code du signal reçu et le code généré localement. Le signal pseudo-noise c(t) apparaît aléatoire et doit être imprévisible Le débit (chip rate) de c(t) est plus grand que le débit (bit rate) de message m(t). L auto-corrélation de c(t) doit être très faible : Petite similitude de c(t) par rapport à ses versions retardées = Meilleur résistance aux fading Multi-trajets. Dans CDMA, il faut aussi que l inter-corrélation entre deux codes différents c 1 (t) et c 2 (t) soit faible : = interférence négligeable entre les différents signaux multiplexés par accès multiple.

47 47 / 73 Plan 1 Duplexing 2 Prncipe FDMA TDMA Exemples SSMA FH/SS DS/SS Spread spectrum et Acces Multiple m-sequences Codes orthogonaux : Walsh pour CDMA synchrone Codes gold : CDMA asynchrone utilisation de Gold dans GPS Les codes d étalements appliqués aux 3G : OVSF

48 48 / 73 séquence d étalement (Spreading sequence) Séquence pseudo-aléatoire Pour des raison de synchronisation, on utilse des séquences pseudo-aléatoires périodiques Les séquences pseudo-aléatoires utilisés sont : m-sequence Gold codes Kasmai sequences Quaternary sequences Walsh functions

49 49 / 73 m-sequences Séquence à longueur maximale généré par un code cyclique caractérisé par un polynôme générateur g(x) implémenté facilement par un LFSR (Linear Feedback shift register)

50 50 / 73 m-sequences

51 Polynôme primitif Un LFSR génère une m-sequence ssi (en commençant par n importe quel état 0) il fait sortir tous les états possibles en un cycle. un polynome est primitif ssi son implémentation en LFSR génére une m-sequence. Exemple Dessiner les diagrammes d états du polynome suivant et vérifier s il génére une m-sequence. g(x) = x 3 + x 2 + x + 1 Donc c est pas un polynôme primitif! 51 / 73

52 52 / 73 Propriétés de m-sequence somme de 2 m-sequence retardés est une version retardée de la meme m-sequence Période de réappration de r-tuplet des m-sequences (r=degré(g(x)) :

53 53 / 73 Auto-corrélation de m-sequence Lors de la transmission, le 0 est remaplacé par +1, et le 1 par -1.

54 54 / 73 Problèmes de m-sequence Mauvaise propriétés d inter-corrélation (inter-corrélation non faible) il y a un petit nombre de m-sequence pour une longueur donnée r : degré de g(x) N p : nb de polynômes primitifs de degré r Pour CDMA, on utilise plutot Gold, Kasami, Walsh codes (meilleur inter-corrélation) au lieu de m-sequence.

55 55 / 73 CDMA de Qualcom : codes orthogonaux Chaque utilisateur a un code orthogonal aux codes des autres utilisateurs 2 codes orthogonaux : leur produit scalaire = 0 Produit scalaire entre c 1 et c 2 : < c 1, c 2 > pour deux signaux continus définis dans [0,T] : < c 1, c 2 >= T 0 c 1 c 2 Pour deux signaux discrets : < c 1, c 2 >= N i=1 c 1i c 2i

56 56 / 73 schéma cdma général

57 57 / 73 CDMA synchrone Synchronisation est essentielle pour garantir l orthogonalité des codes. ce n est pas possible d avoir des codes orthogonaux pour des utilisateurs asynchrones la synchronisation est possible en utilisant une horloge commune : le GPS En downlink c est facile de synchroniser entre les diff récepteurs puisque il y a un seul émetteur en uplink c est difficile = on utilise CDMa asynchrone CDMA synchrone utilise les Walsh functions (utilisé en 2G et 3G) Les fonctions Walsh peuvent être énuméré selon leur nb de passage à 0. les Walsh codes sont orthogonaux deux à deux

58 58 / 73 Walsh Les walsh peuvent être exprimé ds {0, 1} au lieu de {+1, 1}

59 59 / 73 Walsh generation Les Walsh functions peuvent être générés par la matrice de Hadamard. La matrice de Hadamard est formé par 1 et -1 dont les lignes et les colonnes sont orthogonaux. ( ) 1 1 La matrice hadamard 2 2 : H 2 = 1 1 Générer des Walshcodes par Hadamard : ( ) HN H H 2N = N H N H N

60 60 / 73 exemple

61 61 / 73 Walsh 64

62 62 / 73 Exemple CDMA Transmission de deux msg par deux abonnées :

63 63 / 73 Exemple CDMA Reception et désetaement :

64 64 / 73 CDMA asynchrone en Uplink, chaque abonnée transmet des informations indépendemment des autres abonnées. C est une transmission asynchrone Les codes assignés à chaque utilisateur doivent avoir une inter-corrélation faible entre eux indépendemment de leurs retards relatifs Les codes Gold sont utilisés codes gold ont une mauvaise auto-corrélation par-rapport aux m-sequence ; mais meilleure inter-correlation Gold est construit par addition de 2 m-sequences.

65 65 / 73 Codes Gold En downlink, on utilise des codes orthogonaux puisque la synchronisation est facilement réalisable En uplink la synchronisation est complexe, on utilise des codes non-orthogonaux qui sont les codes Gold. Il y a une limite supérieure sur le nb de codes orthogonaux qu on peut offrir Par contre il existe une infinités de codes non-orthogonaux ayant une faible inter-corrélation. Les codes non-orthogonaux vont causer une interférence mutuelle sur tous les utilisateurs Le plus il y en a d utilisateurs, le plus sera le niveau d interférence sa diminue la performance de tous les utilisateurs d une façon proche

66 66 / 73 Global Positioning System et gold Application militaire à l origine ds les années 90. Permette de déterminer le temps et la position de son récepteur (latitude, longitude, altitude) n importe où sur terre. 24 sattelites en orbite Km Sur chaque point sur terre, au moins 4 satellites seront visibles. Les codes gold sont utilisés pour différentier entre les 24 sattelites

67 67 / 73 GPS Le récepteur GPS mesure sa distance depuis un groupe de sattelites tous les satelites sont équipés d une horloge atomique d une précision énorme, et sont tous synchronisés les satelites transmettent d une façon continue des information sur leurs positions et temps le récepteur est en synchronisation avec les sattelites en mesurant le temps de propagation, le recepteur calcule sa position d depuis un sattelite avec 3 sattelites, intersection de 3 spheres donnant 2 point possibles un quatrièmpe sattelite fixera la position du recepteur

68 68 / 73 3G Spreading codes En UMTS et cdma2000, les données sont étalés 2 fois succeccivement : Avec les codes de canalisation : Les Walsh codes orthogonales de longueurs variables OVSF ensuite avec les codes de brouillage (scrambling) : PN codes contrairement à IS-95 (2G), l UMTS et cdma2000 appliquent les walsh codes de longueur variables pour l uplink et le downlink.

69 69 / 73 OVSF Orthogonal Variable-length Spreading Factor : les codes orthogonaux utilisés en UMTS et cdma2000 Le SF en UMTS varie de 4 à 256 chips en uplink et de 4 à 512 en downlink En cdma2000, le SF varie de 4à 128 chips Comparés à IS-95, il utilise des 64-Walsh codes fixes pour l étalement en downlink et pour le mapping (6 -> 64) en uplink : chaque 6 symboles sont modulés à 1 des 64 codes Walsh. OVSF utilise la représentation en arbre Différents débits de données peuvent être supportés en les étalant par différent SF

70 70 / 73 Structure en arbre de OVSF

71 71 / 73 Structure en arbre de OVSF

72 Règle d allocation des codes Les codes OVSF sont utilisés pour réaliser des connexions entre différents débits en variant le SF. SF petit POUR débit plus rapide Pour connecter différents débits, il faut des règles pour maintenir l orthogonalité Règle de blocage : Si un code est utilisé pour une connexion, alors il ne faut pas le réutiliser ni utiliser ses ancêtres ni ses descendants pour une autre connexion. les ancêtres et les descendants d un code donné ne sont pas orthogonales à ce code. ex : Si c 4,1 est utilisé pour une connexion, les codes encerclés ne sont pas autorisés pour une deuxième connexion Si la 2eme connexion est 2 foix plus rapide que la première, alors il faut choisir le code c 2,1 Dans une période de transmission d 1 bit en connexion 1, la connexion 2 transmet 2 bits. Donc débit conservé 72 / 73

73 73 / 73 Récapitulation