Partie IV : Le standard UMTS

Après avoir introduit le standard UMTS et avoir défini ses spécifications, nous allons aborder le standard UMTS d’un point de vue plus technique. Nous allons d’abord définir les bandes de fréquences utilisées pour le standard. Puis nous allons énumérer le nombre de canaux dans ces différentes bandes.. Nous étudierons ensuite un système utilisé dans le GSM et qui est repris dans l’UMTS, le TDMA (Time Division Multiple Acces, accès multiple par division de code), nous allons étudier un autre système inédit qui sera également utilisé avec le TDMA qui est le CDMA (Code Division Multiple Acces, accès multiple par répartition de codes). Nous allons enfin étudier deux modes complémentaires de gestion du réseau qui utilisent ces deux systèmes: le mode FDD (Frequency Division Duplex) et le mode TDD (Time Division Duplex).

VI-1) Les bandes de fréquences de l’UMTS

Les bandes de fréquences UMTS se trouvent au delà de la bande GSM. Voici un tableau récapitulatif des différentes bandes utilisées dans les différents pays :

.Figure 3 : Les bandes de fréquences dans les différents pays.

Nous voyons qu’au japon, le système actuelle (PHS) se situe dans la bande UMTS définie par l’ITU. Mais il reste encore beaucoup de place dans la bande pour l’UMTS. En revanche, au USA, ce n’est pas le cas. La bande est aussi occupée par le système actuel (PCS). Seul une petite zone reste inoccupée (Unlicenced). De plus, pour les fréquences hautes (2100-2200 Mhz), la zone est déjà réservée (Reserved). Ce problème est dut à la politique d’attribution des fréquences des USA, qui est jugée (par beaucoup de professionnelle) peu rigoureuse. A cause de cela, de longues discussions ont eu lieu entre américains et européens pour définir les fréquences, ce qui a encore retardé la mise en place du standard UMTS.

1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170

Pour l’Europe, voici les différentes bandes utilisées, ainsi que les différents modes (FDD et TDD) utilisés dans celles ci (les modes seront définis plus tard dans ce rapport).

TDD TDD/FDD TDD FDD

VI-2) Les canaux des bandes de fréquences de l’UMTS

D’après l’ART, il est probable qu’au moins 4 canaux de 5Mhz soient utilisés en mode FDD, et que 3 canaux de 5 Mhz également soient utilisés en mode TDD. Chaque opérateur devra disposer pour les premières années de son activité, de 2x15 Mhz dans les bandes 1920-1980 Mhz / 2110-2170 Mhz (Mode FDD) et d’un bloc de 5 Mhz dans les bandes 1900-1920 ou 2010-2025 Mhz (Mode TDD).

VI-3) Le TDMA : Time Division Multiple Access, accès par division de temps

Comme son nom l’indique, le TDMA est un système qui permet à plusieurs utilisateurs d’accéder à un canal radio. Les différents accès au canal se font dans le temps. C’est à dire qu’un utilisateur utilise le canal radio pendant un certain temps, ensuite c’est au tour d’autre utilisateurs d’utiliser le canal radio. Le système TDMA est utilisé dans le GSM, chaque trame TDMA dure 4.61 ms. Une trame TDMA est divisée en 8 parties appelées Slot ou Burst .

Voici un schéma qui nous permettra de mieux visualiser le fonctionnement du système TDMA utilisé dans le GSM [5] :

. Figure 5 : Schéma de fonctionnement d’une trame TDMA.

D’après le schéma, on peux voir qu’un utilisateur accède au canal durant le 1^er slot. Ensuite se sont les autres utilisateurs qui utilisent le canal. Ensuite, dans la prochaine trame, l’utilisateur accède de nouveau au canal durant le 1^er slot.

On peux voir également que le système TDMA permet d’avoir ce que l’on appelle des canaux semi débit, c’est à dire qu’un utilisateur accède à un slot dans une trame TDMA sur 2. Ce mode permet d’accroître le nombre d’utilisateurs en utilisant des codeurs de parole plus performants. De plus, cela permet de pallier une éventuelle saturation du réseau.

Bien sur, ceci est un schéma de principe. En faites, à chaque nouvelle trame TDMA, la porteuse change (saut de fréquence). Ces sauts de fréquences permettent d’éviter les évanouissements sélectifs, c’est à dire l’atténuation de certaines fréquences seulement.

Ce mode de transmission fonctionne dans les deux sens : du terminal vers la BTS et de la BTS vers le terminal. Donc, deux fréquences (pour les deux sens) appelées fréquences duplex fonctionnent en parallèle. L’écart entre les deux fréquences duplex est de 45 Mhz pour le GSM et de 95 Mhz pour le DCS1800 [5].

VI-4) Le CDMA : Code Division Multiple Access, accès par répartition de code

Tout comme le TDMA, le système CDMA permet à plusieurs utilisateurs d’accéder à un canal radio. Mais ce système d’accès multiple est plus complexe à mettre en œuvre que le système TDMA car il fait intervenir beaucoup de calculs mathématiques complexes.

Dans CDMA, chaque utilisateur est identifié par un code pseudo aléatoire unique. Ce code possède donc une fonction de corrélation unique également. Tout les utilisateurs émettent en même temps sur le canal. La BTS est chargée de différencier les différents utilisateurs présents qui émettent sur le canal. Pour cela, la BTS réalise un traitement complexe du signal, à l’aide de l’inter-corrélation par exemple, car la BTS connaît tout les codes pseudo aléatoires des utilisateurs et sera donc différencier ces derniers.

Le CDMA présente néanmoins des inconvénients [6]. Ces inconvénients sont :

· Quand un utilisateur est détecté, les interférences dut à l’inter-corrélation avec les signaux des autres utilisateurs peuvent rendre impossible la détection des autres utilisateurs. Ce phénomène implique que le CDMA est limité en interférences et non à cause du bruit (comme les systèmes classiques de transmission).

· Un autre inconvénient peut apparaître également : le  “near-far effect ”. C’est à dire qu’un utilisateur plus près de la BTS peux être privilégié par rapport à un autre utilisateur, qui lui se trouve sur le même canal mais plus loin de l’antenne.

Mais pour limiter ces inconvénients, il existe 5 méthodes différentes. Nous allons les décrire :

· Méthode 1 : Réalisation d’un lien radio performant. Cette méthode consiste à réaliser un codage de l’information performant à base de codes correcteurs d’erreurs très efficace, et de codes en ligne performants.

· Méthode 2 : Contrôle du gain performant. En effet, pour limiter l’effet “near-far effect ”, un contrôle du gain beaucoup plus complexe que dans le système GSM est efficace. Ainsi, un utilisateur plus près de l’antenne ne sera plus privilégié par rapport à un autre utilisateur qui serai plus éloigné.

· Méthode 3 : Les antennes intelligentes [7]. Ces antennes dites intelligentes permettent de connaître la position d’un utilisateur. Pour cela, l’antenne est divisée en plusieurs quartiers ayant chacun une directivité donnée. Ainsi l’antenne peut différencier les signaux reçus par un utilisateur et les signaux reçus par un autre situé dans un autre quartier. De plus, l’antenne émet seulement dans la direction de l’utilisateur concerné, les interférences entre utilisateurs sont donc atténuées :

.Figure 6 : utilisation d’un antenne intelligente avec deux utilisateurs

(Utilisateurs sur le même canal radio).

· Méthode 4 : Méthodes de traitement du signal évoluées à base de DSP. Cette méthode couvrent toute la partie traitement du signal. Elle utilise différentes méthodes complexes de traitement mathématique (décorrélateur, détection Itérative…) pour détecter les utilisateurs.

· Méthode 5 : Combinaison des différences méthodes précédentes. Pour une utilisation plus efficace du CDMA, les méthodes décrites précédemment peuvent être utilisées conjointement.

VI-5) Les deux modes de l’UMTS : le FDD et le TDD [7].

Le standard radio de l’UMTS (UTRA : UMTS terrestrial Radio Access) utilise deux modes pour transmettre l’information : le mode TDD et le mode FDD. Chacun de ses modes possèdent des avantages qui leurs permettent d’être utilisés pour telle ou telle applications spécifiques.

Le mode TDD (time division duplex) est un mode où le terminal transmet vers la BTS pendant un certain laps de temps, ensuite la BTS transmet vers le terminal. Ce mode est donc très pratique pour une transmission asymétrique ( Surf Internet par exemple) où les données transmisses vers le mobile sont plus importantes :

.Figure 7 : la structure d’un trame en mode TDD.

On observe sur ce schéma que plusieurs rapports entre les données descendantes (antenne vers mobile, download) et les données montantes ( mobile vers antenne, upload) sont possibles. On remarque également que la trame TDD est divisée en 15 slots et qu’une trame dure 10 ms. le mode TDD utilise une combinaison du système TDMA et CDMA (TD/CDMA), c’est à dire que sur un slot TDMA il peux y avoir (avec le CDMA) plusieurs utilisateurs qui émettent en même temps.

Le mode TDD est plus avantageux dans les micro et les pico-cellules, ce mode permet un débit maximum de 2 Mbits/sec. Le mode TDD est particulièrement adapté pour un réseau à grand trafic (agglomération).

Le mode FDD (Frequency division duplex) est un mode où le terminal transmet vers la BTS sur une certaine porteuse et où la BTS transmet vers le terminal sur une autre porteuse. Ce mode est donc particulièrement adapté aux transmissions symétriques où les données transmisses dans les deux sens sont égales (la visioconférence par exemple).

Le mode FDD utilise le WCDMA (Wide CDMA), c’est à dire le CDMA large bande. Le mode TDMA n’est donc pas utilisé ici. Sur chaque porteuse il y a plusieurs utilisateurs qui émettent en même temps, et reçoivent sur une autre fréquence (fréquence duplex).

Ce mode est utilisé dans les macro et les micro cellules et le débit maximum atteint avec ce mode est de 384 Kbits/sec. Ce mode permet donc une plus grande mobilité du terminal.

Schéma de principe des deux modes utilisés :

.Figure 8 : le mode TDD et le mode FDD.

Résumé des différentes caractéristiques des deux modes (TDD et FDD) :

Mode utilisé	FDD	TDD
Méthode D’accès	WCDMA	TD-CDMA
Modulation	QPSK
Largeur de bande	5 Mhz
Longueur d’un trame	10 ms
Nombre de slots par trame	15