1.4.3 Couche physique
La couche physique est chargée de transporter
l'information générée par les couches supérieures.
Il s'agit de véhiculer cette information tout en respectant des
contraintes de qualité imposées par le service (délai,
débit, taux d'erreur, etc). Nous commencerons par présenter la
chaîne de transmission UTRA/FDD. Puis, nous aborderons le multiplexage et
le codage canal en détail. Nous verrons ensuite l'application de
l'étalement de spectre de manière spécifique au
réseau UMTS. Nous terminerons par la modulation radio.
Chaîne de transmission UTRA/FDD :
La couche physique fournit le service de transfert d'information à la
couche MAC au travers des canaux de transport. En émission, les
données fournies par la couche MAC sont passées dans une
chaîne de codage de canal avant d'être transmises sur le
médium physique. En réception, les données reçues
sur un canal physique sont passées dans une chaîne de
décodage de canal avant d'être remises à la couche MAC.
Lorsque plusieurs canaux de transport de même type sont portés
simultanément par un seul canal physique, la chaîne de codage est
suivie d'une chaîne de multiplexage et la chaîne de décodage
est précédée d'une chaîne de démultiplexage.
La Figure 1.6 illustre les différentes opérations de traitement
du signal utilisées dans la chaîne de transmission de
l'UTRA/FDD.
Figure 1. 6 - Fonctions de la couche physique dans la chaîne de transmission
UTRA/FDD
Les fonctions de multiplexage et de codage canal
s'appliquent aux canaux de transport par lesquels transitent les bits
délivrés par les couches supérieures à la couche
physique. Les bits véhiculés par les canaux de transport sont
agencés sur les canaux physiques. Une fois qu'ils sont présents
dans ces canaux, ils subissent des traitements de signal spécifiques
pour pouvoir être transmis à travers l'air. Auparavant, les bits
sont convertis en symboles et subissent l'opération d'étalement
de spectre qui va les transformer en chips. Ce sont des chips qui sont transmis
par l'antenne de l'émetteur après avoir été
modulés et placés sur une fréquence porteuse. Les
fonctions inverses sont mises en place à la réception
Multiplexage et codage : Les services
qui seront offerts par l'UMTS seront riches en contenu multimédia.
Supporter ces services implique la transmission en parallèle de
plusieurs flots d'information et, avec elle, l'utilisation de plusieurs canaux
de transport lors d'une même connexion : Chacun d'eux correspond à
un service ayant une QoS différente. Dans le but d'avoir l'assurance que
la QoS du service en question soit respectée, et plus
particulièrement que le taux d'erreurs et le délai de
transmission soient conformes aux attentes, la couche physique met en place des
mécanismes de multiplexage flexibles et des techniques performantes de
codage pour la détection et la correction des erreurs. Un UE peut
utiliser plusieurs canaux de transport simultanément, chacun
étant doté de ses propres caractéristiques en termes de
qualité de service. Ainsi, un ou plusieurs canaux dédiés
de transport (DCH) peuvent être traités en parallèle pour
constituer débit binaire de données unique appelé CCTrCH
(Coded Composite Transport CHannel). Les bits dans un CCTrCH peuvent être
convoyés par un même canal physique. Les différentes
étapes de la procédure de multiplexage et de codage dans la voie
montante sont mises en évidence dans la et résumées par
les points suivants :
Ø Insertion de bits CRC : le CRC (Cyclic Redundancy
Check) est une technique de détection d'erreurs en réception,
à laquelle les systèmes de radiocommunication ont souvent
recours, car elle est efficace et simple à mettre en oeuvre. Avec la
détection d'erreurs, il est possible d'estimer la probabilité
d'erreur dans un bloc de bits de transport. Cette estimation permet
d'évaluer la qualité de la liaison radio et elle peut être
utilisée dans des procédures tel que le contrôle de
puissance ;
Ø Concaténation et segmentation des blocs de
transport : chaque groupe de blocs de transport, correspondant à un
même canal de transport dans un intervalle de temps de transmission TTI
(Transmission Time Interval), est traité avant d'être
envoyé vers le codeur canal, ce afin que le codeur canal ne
détecte en entrée qu'une séquence de bits unique dont la
taille ne dépasse pas la valeur maximale notée Z. Si le nombre de
blocs de transport dans un TTI est M et si p est le nombre de bits par bloc de
transport, la longueur de cette séquence après
concaténation est M × p. Dans le cas où la taille de la
séquence dépasse Z, on applique alors une procédure de
segmentation dont l'objet est de diviser la séquence en sous
séquences ayant la même taille. La valeur Z est imposée par
le type de codage que l'on met en place. Cette opération permet de
réduire la complexité du codeur ainsi que celle du
décodeur lorsque la séquence à coder est trop longue ;
Ø Codage : une fois que les blocs de transport ont subi
les phases de concaténation et de segmentation, les séquences de
bits qui en résultent sont livrées au codeur. Le codage fait
partie des techniques appelées FEC (Forward Error Correction).
L'idée est de coder les bits en émission en ajoutant des bits de
redondance, de telle sorte qu'en réception, l'on puisse détecter
et corriger d'éventuelles erreurs survenues pendant la transmission. Le
codage se décompose donc en deux phases : le codage, qui est
appliqué en émission et le décodage en réception.
D'une manière générale, quel que
soit le type de codage, l'encodage est effectué en faisant passer une
séquence de bits dans un registre à décalages. Ce registre
est composé de N états où des opérations
algébriques sont appliquées suivant les polynômes
générateurs utilisés. Pour k bits qui rentrent dans
l'encodeur, on obtient n bits en sortie, ce qui détermine le « taux
de codage » défini par le ratio R = k/n. Le paramètre N,
appelé « longueur de contrainte », détermine la
capacité du codage canal à corriger les erreurs et la
complexité de mise en oeuvre de cette technique. Le choix du taux de
codage à appliquer dépend du service. Plus le taux de codage est
faible, plus les performances de codage sont bonnes, même si en contre
partie, le débit utile diminue et les opérations d'encodage et de
décodage sont plus complexes. Il existe deux types de codage en
UTRA/FDD : le codage « convolutionnel » et le codage « Turbo
». Le premier est particulièrement approprié pour des
services de transmission de voix où le taux d'erreur BLER (block Error
Rate) que l'on tolère est de l'ordre de 10-3. En revanche, pour des
services de transmission de données, le taux d'erreur est
généralement plus faible (moins de 10-5). C'est pourquoi l'on
fait appel à des techniques plus sophistiquées, tel que le codage
Turbo qui peut être vu comme la concaténation de deux encodeurs
convolutionnels qui opèrent en parallèle, séparés
par un entrelaceur interne
Une fois l'opération de codage
terminée, d'autres étapes sont nécessaires avant d'entamer
le multiplexage et que nous résumons par ce qui suit : Ajustement de la
taille de trames : cette étape, utilisée sur le lien montant,
consiste à scinder les séquences de bits codés (ou non) en
segments de la même taille et à mettre ces segments en
série. Ce procédé est nécessaire lorsque le nombre
de bits présents dans la séquence de bits en entrée n'est
pas un multiple du nombre de trames par TTI. Afin de s'assurer que tous les
segments aient la même taille, des bits de bourrage peuvent être
insérés ;
Premier entrelacement : l'entrelacement est une
technique qui permet d'obtenir une forme de diversité temporelle et
d'éviter ainsi les erreurs en rafale. Ce procédé consiste
à mélanger une séquence de bits en émission, de
façon à étaler les erreurs pendant la transmission et
rendre plus aléatoire leurs propriétés statistiques.
L'entrelacement permet donc d'améliorer les performances de l'algorithme
de décodage canal utilisé ;
Segmentation des trames : ce traitement vient
compléter l'ajustement de la taille des trames et s'applique lorsque le
TTI est supérieur à 10 ms. Son rôle est de segmenter la
séquence de bits contenue dans un TTI en un nombre entier de trames
consécutives ;
Adaptation du débit : un même canal physique
peut convoyer des bits d'information issus des différents canaux de
transport. Or, le débit d'un canal physique est limité. Il faut
donc adapter le débit à la sortie de chaque canal de transport.
Pour ce faire, on peut être amené à retrancher des bits
dans des flots d'information de chaque canal de transport ou à en
rajouter [4].
Multiplexage des canaux de transport : chaque canal
délivre une séquence binaire codée tous les 10 ms. Ces
séquences sont ensuite concaténées les unes après
les autres pour ne créer qu'un flot binaire unique en série : le
CCTrCH .
Segmentation des canaux physiques et deuxième
entrelacement : la segmentation ne s'applique que lorsque plusieurs canaux
physiques sont utilisés pour le même CCTrCH, autrement dit lors
d'une transmission en multicode. Dans ce cas, le deuxième entrelacement
s'applique individuellement sur chaque canal physique. A la sortie,
l'information est répartie sur le ou les canaux physiques. À ce
stade, on est sûr que les bits d'information provenant de chaque canal de
transport pourront être accommodés dans des trames de 10 ms, et ce
en respectant la QoS requise par le service.
Les fonctions de multiplexage et de codage canal sur le
lien descendant sont similaires à celles mises en place dans la voie
montante. Cependant, il existe des particularités propres au lien
descendant. En effet, le nombre de bits présents dans la trame d'un
canal physique est dicté par le facteur d'étalement SF. Dans la
voie montante, ce paramètre peut changer d'un TTI à un autre.
Tandis que, dans la voie descendante, la valeur du SF reste constante tout au
long de la communication. Ainsi, les fonctions d'adaptation de débit et
de segmentation sont différentes
Application de l'étalement de spectre :
Suite à l'opération de multiplexage et de codage,
les bits sont transformés en symboles, puis on applique les
opérations d'étalement de spectre et de modulation. Auparavant,
il convient de citer les paramètres radio qui caractérisent les
canaux physiques de l'UTRA/FDD. Parmi ces paramètres, on trouve : Les
métriques suivantes sont également
référencées pour définir la durée des canaux
physiques : Une « trame radio » a une durée où on
traite l'information qui s'étend sur quinze intervalles de temps ou
slots, soit 38 400 chips (10 ms) ; Un slot est un intervalle de temps de
longueur fixe et égale à 2560 chips ( 0.667 ms). Le nombre de
bits par slot est variable.
Dans la voie descendante, les codes de canalisation
permettent d'identifier les symboles d'information appartenant à chaque
utilisateur dans une cellule. Dans la voie montante, ils permettent de
différencier les symboles d'information du canal ou des canaux physiques
de données dédiés (DPDCH) et du canal physique
dédié de contrôle (DPCCH) appartenant à un
même utilisateur. Le rôle fonctionnel des codes de canalisation
utilisés dans un réseau UTRA/FDD peut être comparé
aux slots de temps alloués dans le réseaux mobiles à base
de TDMA, aux différents utilisateurs dans la cellule pour les distinguer
(du moins pour ce qui concerne la voie descendante).
Les codes d'embrouillage, dans la voie descendante, permettent
d'identifier une cellule. Il existe donc un code unique d'embrouillage par
cellule. L'utilisation des codes d'embrouillage rend les
propriétés statistiques de l'interférence proche de celles
d'un bruit Gaussien, sachant que cette interférence est invoquée
par les cellules voisines qui émettent sur la même
fréquence porteuse. Le code d'embrouillage permet donc de faciliter la
tâche du récepteur lors de la détection des symboles
transmis. Dans la voie montante, les codes d'embrouillage sont utilisés
non seulement pour améliorer les propriétés statistiques
des codes de canalisation, mais aussi pour différencier les utilisateurs
présents dans une même cellule.
Modulation : La modulation consiste
à transformer le signal en bande de base, une fois converti en
analogique, en signal radio, afin de pouvoir le transmettre dans l'air. La
Figure 1.7 donne un exemple de modulation effectuée au niveau de
l'émetteur de la station mobile et de la station de base
Figure 1. 7- Exemple d'une chaîne
d'émission utilisant la modulation QPSK
Après avoir été étalé et
embrouillé, le signal complexe qui en résulte, composé de
chips, est réparti sur une voie réelle et sur une voie imaginaire
appelée respectivement « voie I » et « voie Q ».
Puis, il est filtré avec un filtre numérique et converti en un
signal analogique à l'aide d'un convertisseur
numérique/analogique (CAN). Le signal passe encore par un filtre
analogique avant d'être modulé en quadrature et transposé
sur une fréquence ?. Une fois filtré, le signal analogique est
ensuite modulé suivant le principe de la modulation QPSK (Quadrature
Phase Shift Keying) [10]. Ce type de modulation permet la transmission de deux
chips par symbole. La phase du signal modulé prend différentes
valeurs qui représentent une paire unique de chips. Dans le
schéma simplifié de la Figure 1.7, le signal modulé est
amplifié à l'aide d'un amplificateur de puissance PA (Power
Amplifier) avant d'être transmis. Le choix de la modulation QPSK a
été effectué précisément avec le souci
d'améliorer son efficacité. En effet, l'efficacité de
l'amplificateur de puissance est particulièrement importante dans la
station mobile, car elle a une influence directe sur la consommation
d'énergie du terminal
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