Réseau céllulaire

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Réseau céllulaire - Introduction

Glossaire

• IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) = C'est le regroupement des technologies d'accès radio des systèmes céllulaires choisis par l'Union Internationale des télécommunications (ITU). Les 5 technologies sont :
  • UTRA/FDD (Direct-Sequence)
  • CDMA 2000 (Multi-Carrier)
  • UTRA/TDD (Time Division)
  • UWC (Single Carrier)
  • DECT (Frequency Time)
• UMTS (Universal Mobile Télécommunication System) = C'est l'une des technologies de téléphonie mobile de troisième génération (3G).
• HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) = protocole de téléphonie mobile pour la 3G
• HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) = protocole de téléphonie mobile pour la 3G

• LTE (Long Term Evolution) = Le LTE est une refonte de la norme 3G pour répondre à la demande de transmission de données à faible latence.

• eNodeB (Evolved Node B) = Globalement c'est une antenne. Elle est spécifique aux réseaux 4G (LTE) car Il intègre les fonctions de la station de base et du contrôleur de réseau (BSC/RNC), devenant ainsi plus autonome.

• station de base = Ancienne antenne utilisé dans les réseaux 3G. Elle est reliée à des contrôleurs de station de base (BSC en 2G, RNC en 3G) qui gèrent les ressources radio et la mobilité.

• UE (User Equipement) = téléphone utilisateur + SIM

• EPC (Evolved Packet Core) est le cœur de réseau des technologies 4G LTE, conçu pour gérer efficacement le trafic de données tout en offrant des services voix via des solutions IP

Historique

• 1990 : Création de l'IMT-2000
• 1999 : Arrivé de l'UMTS Utilisant UTRA/TDD et UTRA/FDD
• 2006 : Arrivé de la 3G+ HSxPA (HSDPA & HSUPA)
• 2010 : LTE basé sur OFDM
• 2020 : 5G

4G

détail de la 4G

La norme de la 4G est basé sur la norme IMT-Avanced standard.
Elle utilise les bandes de fréquence 700 MHZ, 800 MHz, 1.8GHz, 2.6GHz en France.

La 4G utilise notamment un 4x4 MIMO.

Accès utilisateur

Pour accéder au réseau, les utilisateurs possèdent une carte SIM (USIM). Elle contient les informations suivantes : - IMSI (International Mobile Subscriber ID) = Code pays (MCC) + Code Opérateur (MNC) + Identifiant de l'abonné mobile (MSIN) - MSIN = MSID = MSISDN = N° de téléphone - Le couple MCC + MNC = un opérateur - Une clé partagée secrete K - Les informations utilisateurs (adresse...)

Topologie réseau

La topologie du réseau céllulaire est, comme son nom l'indique, divisé en céllule. Un eNodeB dessert 3 cellules, correspondant aux trois secteurs d'une antenne, chacun couvrant un angle de 120°. Chacun des eNodeB est reliés physiquement au coeur de réseauLTE. La partie sans-fils est appelé eUTRAN.

Le coeurs de réseauLTE, aussi appeler EPC, est constituer de différent équipements (MME, SGW, PGW, ...). Il donne ensuite accès au PLMN (Public Land-Mobile Network). Un PLMN est un réseau qui fournit des services de télécommunications mobiles terrestres au public. Chaque opérateur fournissant des services mobiles possède son propre réseau PLMN.

Canal de fréquence

En LTE, tout les eNodeB on la même fréquence central mais les fréquences de bordures sont toutes différentes pour éviter les interférences en bord de céllule.

Methode d'accès & allocation de service

Pour accéder au PLMN, On passe par l'EPC ou coeur de réseauLTE. Dedans, on retrouve plusieurs équipement :
- La passerelle de service(SGW) : Le nœud SGW gère le trafic de données utilisateur, mais n'est pas responsable des données de signalisation utilisées. Il transporte les données IP des UE vers le coeur de réseauLTE. Le SGW achemine également les paquets IP entrants et sortants pour une meilleure collaboration du système et sert de point d'ancrage pour l'UE lorsqu'il se déplace d'un eNodeB à un autre.

• L'Entité de gestion de la mobilité (MME) : L'entité MME gère la mobilité,l'authentification et les sessions des équipements utilisateurs connectés au réseau. Elle supervise la localisation des appareils lors des déplacements entre eNodeB et les transitions entre états d'inactivité et d'activité. La MME conserve les données des abonnés et assure une connexion fluide entre les stations de base pour maintenir la qualité du service. Elle gère également l'authentification et la sécurité des utilisateurs, notamment via la validation des cartes SIM et des justificatifs d'identité.

• Passerelle de réseau de données par paquets (PGW) : PGW est le nœud de réseau qui connecte l'EPC aux réseaux IP externes. Ce que fait la PGW, c'est qu'elle achemine les paquets vers et depuis les réseaux IP externes. Au-delà de cela, il attribue également une adresse IP à tous les UE et applique différentes politiques concernant le trafic utilisateur IP, telles que le filtrage de paquets.

Pour se connecter aux réseaux ip externe, l'UE commence par contacter l'eNodeB par requête radio. Ca requête va ensuite être transmis au MME et au SGW. Il va déjà avoir un contrôles de la part du MME concernant le profils de l'UE et ses droits. Ensuite, il y aura des contrôles sur la disponibilité des ressources, que ce soit du côté EPC ou du côté eUTRAN. Une fois que tout est validé, la connexion est établie.

Pile de protocole d'accès

L'accès au coeur de réseau est gérer par plusieurs protocole, de la couche physique à la couche application. Du plus bas au plus haut, on trouve : - pile d’accès radio (RAN): * PHY (physical layer) = responsable de la transmission/réception des données sur le canal radio. * MAC (Medium Access Control) = gestion des ressources radio. * RLC (Radio Link Control) = contrôle de flux et la fiabilité. * PDCP (Packet Data Convergence Protocol) = chiffrement et compression d’en-tête.

• Le contrôle de ressource radio (RRC) : gère la connexion, la configuration et la libération des ressources radio. Il contrôle la signalisation entre l'UE et le RAN pour optimiser l'utilisation des ressources radio et assurer la qualité du service.

• Le Non-Access Stratum (NAS) : Le NAS gère les procédures de contrôle qui ne dépendent pas directement des ressources radio (Authentification/sécurité des utilisateurs, mobilité entre cellules et réseaux et l’établissement/libération/gestion des sessions de données).

Réseau céllulaire - 4G - LTE

Glossaire

• UE (User Equipement) = tél + SIM
• DL (Downlink) = Antenne vers UE
• UL (Uplink) = UE vers Antenne

I/ Historique

Le LTE est une refonte de la norme 3G pour répondre à la demande de transmission de données à faible latence. Cette refonte comprend : * Un réseau central basé sur l'adresse IP * Une architecture de réseau simplifiée * Une nouvelle interface radio * Une nouvelle méthode de modulation * Radios à entrées et sorties multiples (MIMO) pour tous les appareils

La technologie LTE n'est pas quelques choses de fixe. Elle évolue dans le temps et devient de plus en plus puissantes au fur et à mesures que les capacités du matériel, des logiciels et des technologies de réseau cellulaires (vitesse, latence, batterie, ...) sont optimisées et améliorées au fil du temps.

Les termes "4G" et "LTE" sont souvent utilisés de manière interchangeable et l'expression "4G LTE" apparaît fréquemment. la 4G LTE fait en fait référence à des appareils et à des réseaux qui évoluent... de la norme 3G, plus lente à la vitesse et le débit de la 4G. La 4G LTE couvre toute la gamme des vitesses de téléchargement, de la 3G à 10th de Mbps à la 4G de 100th de Mbps. Le terme "4G" fait référence à la génération de technologie, tandis que le terme "LTE" désigne la méthodologie d'évolution de cette génération

II/ La Transformé de Fourier (TF)

Principe

La Transformation de Fourier est un outil mathématique qui permet de décomposer un signal continue complexe en une somme de signaux sinusoïdaux simples. En d'autres termes, elle transforme un signal du domaine temporel (variation dans le temps) vers le domaine fréquentiel (contenu en fréquences).

Dans le domaine temporel, un signal peut être très complexe alors que dans le domaine fréquentiel, on peut voir les fréquences qui le composent et comprendre son comportement.

Exemple : J'ai un signal qui est une note de musique à une fréquence de 100Hz.Dans le domaine temporel, le signal est une courbe complexe alors que dans le domaine fréquentiel on a seulement un pic à 100Hz correspondant à la note.

Transformer de Fourier Discrète (DFT)

La Transformée de Fourier (TF) et la Transformée de Fourier Discrète (DFT) ont le même objectif : analyser les fréquences d’un signal. Cependant, elles diffèrent par leur domaine d’application et leurs propriétés.

la DFT s’applique aux signaux discrets et finis (traités par un ordinateur). Elle est donc implémentée numériquement pour traiter des signaux audio, des images, des données numériques.

La Transformer de Fourier Rapide (FFT)

La FFT (Fast Fourier Transform) est une version optimisée de la transformation de Fourier discrète (DFT). Elle permet de calculer rapidement le spectre de fréquences d’un signal numérique.

Avantages de la FFT : - Rapide : réduit le temps de calcul - Efficace : utilisée dans le traitement du son, des images, des télécommunications.

La Transformée de Fourier Inverse (IFFT)

La Transformée de Fourier Inverse (TFI) ou Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) est l'opération qui permet de reconstruire un signal dans le domaine temporel à partir de ses composantes fréquentielles. * La FFT décompose un signal temporel en ses fréquences. * La IFFT fait l'inverse : elle transforme un spectre fréquentiel en un signal temporel.

On l'utilise pour plusieurs cas : * Reconstruction de signal : Après avoir modifié un signal dans le domaine fréquentiel (filtrage, compression), on utilise l’IFFT pour revenir au domaine temporel. * Traitement du signal numérique : Dans les communications (comme la 4G/5G avec OFDM), les données sont modulées en fréquence avec la FFT et reconstruites avec l'IFFT avant la transmission. * Synthèse de signaux : Générer des sons ou des images à partir de composantes fréquentielles. * Filtrage numérique : Appliquer un filtre en fréquence puis revenir dans le domaine temporel.

Exemple : * Compression audio (MP3) : Les fréquences non audibles sont supprimées, puis l'IFFT reconstruit le son compressé. * Transmission sans fil (OFDM) : La modulation utilise la FFT et la transmission utilise l'IFFT. * Traitement d'image : Les fréquences indésirables sont supprimées avant de recréer l'image avec l'IFFT.

Conclusion

• La TF est idéale pour modéliser des phénomènes physiques continus.
• La DFT est adaptée aux signaux numériques et est largement utilisée dans les systèmes informatiques.
• La FFT est un algorithme rapide pour calculer la DFT.
• La IFFT est l'inverse de la FFT. Elle permet de reconstruire un signal temporel après son traitement dans le domaine fréquentiel.

III/ Trame LTE

Structure

Dans le LTE, les transmissions DL et UL sont organisées en trames radio de 10 ms chacune. Chaque trame est divisée en dix sous-trames de taille égale. La durée de chaque sous-trame est de 1 ms. De plus, chaque sous-trame est divisée en deux slot de temps de taille égale, c'est-à-dire que chaque slot est de 0,5 ms. Un slot comprend 7 symboles OFDM précédé d'un préfix cyclique. Le préfix cyclic est une copie de la fin d'un symbole OFDM. Il est ajoutée au début de ce même symbole. Il permet de protéger la trame contre le multi-trajets (interférences & échos).

En résumé : * 1 Frame (10 ms) → contient 10 sous-trames * 1 Sous-trame (1 ms) → contient 2 slots * 1 Slot (0,5 ms) → contient 7 symboles OFDM + préfix cyclique entre chaques symboles

Trame LTE FDD & TDD

Il existe deux types de trame en LTE : * La trame LTE FDD (Frequency Division Duplex) * La trame LTE TDD (Time Division Duplex)

La trame LTE FDD permet la transmission simultanée des données montantes et descendantes en utilisant deux bandes de fréquences distincte pour le DL et UL.

La trame LTE TDD fait un partage temporel pour le DL et UL sur la même bande de fréquence. Le réseau alterne donc entre des périodes de DL et UL. On y ajoute des périodes de garde (GP) qui correspond au temps de transition entre UL et DL. Il évite les interférence.

IV/ Fonctionnement de LTE

Pourquoi OFDM ?

• Résistance à l’ISI : un autre avantage de l’OFDM est qu’il est très résistant à l’interférence inter-symbole et inter-trame. Cela résulte du faible débit de données sur chacun des sous-canaux.
• Efficacité du spectre : un avantage significatif de l’OFDM est qu’il utilise efficacement le spectre disponible
• Faible complexité et multiplexage simple
• Fonctionne très bien avec MIMO

SC-FDMA (Uplink)

SC-FDMA = DFT-Spread OFDM = Transformer de Fourrier Discrète avec étalement OFDM

C'est une technique utilisée dans les réseaux 4G, notamment pour la transmission en uplink (du mobile vers l’antenne). L'UE utilise SC-FDMA pour communiquer avec l'eNodeB en utilisant les fréquences donnée par les ressources block.

Schéma global du DFT-spread OFDM

• ( N_{TX} ) symbols : Symboles modulés à transmettre.
• DFT (Discrete Fourier Transform) : Transforme les symboles du domaine temporel vers le domaine fréquentiel pour répartir les données sur plusieurs sous-porteuses.
• Sub-carrier Mapping : Associe les résultats de la DFT à certaines sous-porteuses.
• IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) : Transforme le signal fréquentiel en signal temporel prêt à être transmis.
• CP Insertion (Cyclic Prefix) : Ajoute un préfixe cyclique pour protéger le signal contre les interférences et les échos.

Carrier Mapping (Attribution des sous-porteuses)

Mapping Continu

• Les données issues de la DFT sont mappées directement de manière compacte sur les sous-porteuses disponibles.
• Exemple : Allocation continue des sous-porteuses sans espace.

Mapping Distribué

• Les données sont espacées avec des zéros (L-1 zeros) insérés entre les sous-porteuses.
• Ce mappage améliore la robustesse contre les interférences.

Pourquoi utiliser DFT-spread OFDM ?

• Réduction du PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) :
• Le DFT étale les données, réduisant les pics de puissance.

• Rend la transmission plus efficace énergétiquement, idéal pour les smartphones.

• Transmission plus robuste :

• Le préfixe cyclique protège contre les échos et les interférences.

• Utilisation efficace des sous-porteuses :

• Le mappage adapté permet une meilleure gestion de la bande passante.

Résumé

• Le DFT répartit les données sur les sous-porteuses.
• Le mappage des sous-porteuses peut être continu ou distribué.
• L'IFFT prépare le signal pour la transmission.
• Le préfixe cyclique améliore la résistance aux interférences.

Cette technique est essentielle pour optimiser les transmissions du mobile vers le réseau en 4G.

OFDMA (Downlink)

OFDMA est utilisé en local pour l'attribution des ressources block au UE. L'eNodeB utilise ensuite le protocole DCI pour informer l'UE des ressources block qui lui sont attribués.

Bloc de ressources (RB)

Un bloc de ressources (RB) est l'unité de base de la communication, et 1 RB se compose de 12 sous-porteuses (15 kHz entre les sous-porteuses) pour un slot. Un RB fait donc 180 KHz Un symbole OFDM est appelé élément de ressource (RE).

Planification

La planification est l'allocation de RB par les eNB, pour garantir qu'il n'y a pas d'effet de fading en fonction des conditions de ligne de chaque utilisateur. Cette allocation est effectuée par le "" planificateur », qui fait partie de la couche MAC dans l'eNB. Les RB sont définis comme 1 slot, mais l'allocation aux utilisateurs est effectuée par unités de 2 RB. Les signaux permettant de vérifier l'état de fading entre l'UE et l'eNB pour la planification sont mesurés par le signal de référence (RS).

Le fading correspond à l'atténuation ou l'évanouissement du signal dû à la variation de puissance causé par plusieurs variable.

L'affectation des RB se fait en plusieurs étapes :

Étape 1 : L'UE mesure le signal radio (RS) dans le DL et renvoie les résultats de mesure à l'eNB.

Étape 2 : Le planificateur effectue la détermination des paramètres de transmission UE et l'optimisation des ressources en recevant les informations suivantes : * Recevoir les données QoS de l'EPC vers le planificateur (Bande passante minimale garantie, bande passante maximale autorisée, taux de perte de paquets, priorité utilisateur, etc.) * Recevez des informations sur la qualité du canal radio (CQI) de la couche PHY (Force du signal, bruit, interférence des cellules adjacentes, etc.). * Recevez l'état du tampon de la couche RLC concernant les données en attente de transmission.

Étape 3 : La planification attribue un RB à chaque utilisateur comme indiqué sur la figure.

Demande de planification (SR)

La planification des ressources UL est nécessaire en fonction de la quantité de données à transmettre par UL. Par conséquent, il existe une « demande de planification (SR) » pour que le planificateur reconnaisse les données à transmettre par l'UL de chaque UE. La SR est transmise sur PUCCH.

Il est nécessaire d'attendre le moment de la demande de planification car les données ne peuvent pas être transmises par un UE pour lequel un UL n'est pas autorisé. Lorsque cette demande est reçue, le planificateur alloue des ressources PUSCH à l'UE d'origine.

Le processus détaillé est le suivant : * L'UE envoie le SR à l'eNodeB via PUCCH. * L'eNodeB envoie la subvention UL (DCI0) via PDCCH. * L'UE décode DCI0. * L'UE envoie un UL via PUSCH en fonction du RB spécifié dans DCI0. * L'eNB décode les données dans le PUSCH. * L'eNB envoie ACK / NACK via PHICH. * Si l'eNB envoie NACK, il passe à la procédure de retransmission.

Indicateur de contrôle de liaison descendante (DCI)

DCI signifie Downlink Control Indicator et contient les informations suivantes. * Indication des ressources PDSCH, format de transmission et informations relatives à HARQ * Subvention UL (indication de ressource PUSCH, format de transmission et informations liées à HARQ)

Il existe différents formats pour DCI ; les formats 0 et 4 sont utilisés pour les informations UL.

Différence avec FDD et TDD

Une fois que l'UE reçoit le DCI0, il n'est pas possible d'envoyer des données par PUSCH immédiatement en raison du décodage du DCI0 et de la préparation des données à envoyer.

Par conséquent, dans FDD, les données sont transmises par PUSCH dans n+4 sous-trames après la réception de DCI0.

Cependant, dans le TDD, la synchronisation de DL/UL change en fonction de la configuration, et les données sont transmises dans n+k sous-trames par PUSCH. Ce nombre k est indiqué dans le tableau ci-dessous.

Réseau céllulaire - 4G - Couche PHY

Dans un réseau céllulaire, la couche physique assure la transmission fiable et efficace des données via les ondes radio, tout en gérant les contraintes physiques et les interférences.

I/ PN Code & M-sequence

https://www.youtube.com/watch?v=kSPpTFM0oOk

Un PN code est une séquence binaire qui semble aléatoire mais qui est en réalité déterministe et répétitive. Elle est souvent générée par un registre à décalage à rétroaction linéaire (LFSR). On appel ca aussi un PRN (Pseudo Radom Noise) ou PRBS (Pseudo Random Binary Sequence).

Il en existe deux types : - Les séquences périodiques : Ce sont des séquences de bit (1 & 0) qui se répète exactement avec une période connue. Exemple : Maximum-length Sequence (M-Sequence) - Les séquences apériodiques : Les séquence de Barker

L'utilité de ce genre de sequence est varié : * en CDMA (Code Division Multiple Access) chaque utilisateur est assigné un PN code distinct pour séparer les communications. Les M-sequences peuvent être utilisées, mais d'autres PN codes comme les Gold sequences sont souvent préférés pour offrir de meilleures propriétés de corrélation croisée. * En GPS, les satellites utilisent des PN codes pour distinguer les signaux. Des variantes plus complexes que les M-sequences (comme les Gold codes) sont utilisées. * En études de canal, les M-sequences servent de signal test pour analyser les réponses des canaux de communication.

a) M-sequence (MLS)

A maximum length sequence (MLS) est un type de code PN (ou séquence PN, c'est la même chose). Comme dit précédemment, c'est un séquence périodique qui se répète avec une période connue.

La longeur d'une séquence correspond à 2^n -1. Le n correspond au nombre de bascules (flip-flops) dans le registre à décalage à rétroaction linéaire (LFSR) qui génère la séquence.

b) Génération d'une M-sequence

Une M-sequence est générer à l'aide d'un registre à décalage à rétroaction linéaire (LFSR). Regarder cette video youtube pour comprendre sa génération.

https://www.youtube.com/watch?v=kSPpTFM0oOk

c) Autocorrélation & intercorrélation

L'autocorrélation et l'intercorrélation sont toutes les deux des propriété de séquence binaire comme la M-sequence et autre.

• L'autocorrélation mesure la similarité d’une séquence avec elle-même lorsqu’elle est décalée dans le temps. Son but est de vérifier si une séquence est unique et facilement reconnaissable même en présence de bruit ou d’interférences et d'identifier des motifs répétitifs dans un signal. Exemple : Imagine que tu dises "ABABAB".

  • Si on décale cette séquence de 0, c'est exactement la même → corrélation maximale.
  • Si on décale d’un caractère, ça donne "BABABA" → corrélation faible.

• L'intercorrélation mesure la similarité entre deux séquences différentes. Sont but est d'évaluer si deux séquences sont suffisamment distinctes pour éviter les interférenceset et de séparer les signaux de plusieurs utilisateurs dans les systèmes partagés (CDMA, GPS). Exemple : Imagine que deux personnes parlent :

  • L’une parle en français et l’autre en anglais → faible intercorrélation (on distingue bien les deux).
  • Si les deux parlent en français avec des voix similaires → forte intercorrélation (difficile de distinguer les voix).

La M-sequence a une excelente autocorrélation ce qui facilite la synchronisation d'un signal et permet de reconnaître facilement un signal même s’il est noyé dans du bruit.

Par contre, les M-sequences ont une intercorrélation moyenne, ce qui signifie que deux M-sequences différentes peuvent parfois être corrélées, mais pas de manière optimale. Cela peut causer des interférences entre utilisateurs. Pour résoudre ce problème, des codes dérivés comme les Gold sequences sont utilisés.

II/ Gold-sequence

Les Gold-sequences ( ou gold code) sont un type de séquence binaire (PN code) utilisé en UMTS ou en CDMA. Elles sont formé à l'aide de deux M-sequence.

Les Gold-sequences ont de faibles intercorrélation. Cela signifie que les séquences générées à partir du même ensemble de registres (LFSRs) sont quasiment orthogonales entre elles, même si elles partagent certaines caractéristiques. C'est particulièrement utile pour séparer les utilisateurs ou cellules dans des systèmes CDMA ou LTE, où plusieurs signaux cohabitent dans la même bande de fréquences.

Les Gold Sequences ont aussi une bonne autocorrélation, ce qui signifie que la corrélation est maximale lorsque la séquence est alignée avec elle-même (décalage nul) et très faible pour tout autre décalage. C'est crucial pour des fonctions comme la synchronisation dans les réseaux cellulaires, où un utilisateur ou une station doit identifier une séquence spécifique parmi des signaux bruités.

a) Propriété

• Longueur : La longueur d'une Gold Sequence dépend des registres à décalage utilisés. Par exemple, dans LTE, les Gold Sequences utilisées pour les signaux de référence ont des longueurs de 31, 127 ou 1023 bits.
• Faible intercorrélation : Les Gold Sequences générées à partir des mêmes LFSR ont une faible corrélation entre elles, ce qui est crucial pour réduire les interférences entre utilisateurs ou signaux.
• Génération facile : Les Gold Sequences sont calculées efficacement en combinant deux LFSR avec des polynômes générateurs spécifiques et des conditions initiales.

b) Exemple d'application

• Synchronisation dans LTE : Les signaux PRACH (Physical Random Access Channel) utilisent des Gold Sequences pour permettre à l'eNB de différencier les préambules provenant de différents utilisateurs.

• Séparation de cellules : Les identifiants de cellules (Cell ID) sont utilisés comme paramètres d'entrée pour générer des Gold Sequences spécifiques à chaque cellule, permettant aux utilisateurs de distinguer une cellule parmi d'autres.

III/ ZC-sequence

Les séquences Zadoff-Chu (ZC) sont des séquences mathématiques spéciales utilisées dans les systèmes de communication, notamment dans les réseaux cellulaires tels que LTE (Long Term Evolution) et 5G NR (New Radio). Elles possèdent des propriétés uniques qui les rendent idéales pour certaines applications, en particulier la synchronisation et l'accès aléatoire.

a) Définition

Une séquence Zadoff-Chu est une séquence complexe définie par une formule mathématique précise. Pour une longueur N, la séquence est donnée par :

• n : l'index (de 0 à ( N-1 )),
• N : la longueur de la séquence (un entier premier avec ( r )),
• r : le facteur racine (un paramètre qui génère des séquences différentes),
• j : l'unité imaginaire (( j^2 = -1 )).

b) Propriété

• Bonne autocorrélation : L'auto-corrélation d'une séquence ZC est idéale, ce qui signifie qu'elle est maximale au décalage nul et presque nulle pour tous les autres décalages. Cela permet de détecter facilement la séquence dans un environnement bruité, rendant ces séquences idéales pour des tâches de synchronisation.

• Faible intercorrélation : Deux séquences ZC générées avec des racines r1 et r2 différentes, ou avec des décalages différents, ont une très faible corrélation croisée. Cette propriété est utile pour différencier les signaux provenant de différents utilisateurs ou cellules. L'intercorrélation d'une sequence ZC est égale à 1/sqrt(N).

• Structure périodique : Une séquence ZC conserve ses propriétés même lorsqu'elle est utilisée dans un contexte périodique, ce qui est utile pour des systèmes utilisant des transmissions cycliques.

c) Exemple d'utilisation

• Accès aléatoire (Random Access) : En LTE et 5G, les séquences ZC sont utilisées pour générer les préambules PRACH (Physical Random Access Channel). Cela permet aux équipements utilisateurs (UE) de signaler leur présence à une station de base. Chaque utilisateur utilise une séquence ZC différente pour éviter les collisions.
• Référence pour les signaux de synchronisation : En 5G, les séquences ZC sont utilisées pour construire les signaux de synchronisation primaire et secondaire (PSS et SSS), permettant aux équipements utilisateurs de détecter et de se synchroniser sur une cellule.
• Multiplexage par division de code : Dans les systèmes CDMA, les séquences ZC peuvent également être utilisées pour séparer les utilisateurs en minimisant les interférences.

IV/ Synchronisation en Downlink (DL)

La synchronisation en downlink fait référence au processus par lequel un équipement utilisateur (UE) se synchronise avec une station de base (eNodeB en LTE ou gNodeB en 5G) pour établir une connexion dans le sens descendant (de la station de base vers l'UE). Ce processus est essentiel pour que l'UE puisse recevoir et décoder correctement les données transmises par la station de base.

Elle permet notamment : - La détection de cellule : Sans synchronisation, l'UE ne peut pas déterminer quelle station de base est la plus proche ou la plus appropriée pour établir une connexion. - Le décodage des données : Les signaux OFDM nécessitent une synchronisation précise pour que l'UE puisse récupérer les données correctement. - La réduction des interférences : Une bonne synchronisation permet d'aligner les signaux avec ceux des autres utilisateurs, minimisant ainsi les interférences. - Le Handover : Pendant un changement de cellule (handover), l'UE doit se synchroniser rapidement avec la nouvelle station de base pour éviter une perte de connexion.

a) Les signaux de synchronisation (PSS & SSS)

En LTE, il existe deux signaux permettant la synchronisation en DL. Ces signaux sont le Primary Synchronisation Signal(PSS) et le Secondary Synchronisation Signal (SSS).

PSS

Le PSS permet à l'UE de se synchroniser au niveau des sous-trames (décalage temporel) et de déterminer l'identifiant du groupe de cellule primaire. Elle utilise une ZC-sequence qui garantit l'autocorrélation et l'intercorrélation. En LTE, il existe 3 valeurs possibles pour le PSS qui sont u= 25,29,34.

SSS

Le SSS complète le PSS pour fournir des informations supplémentaires, comme l'identifiant de la cellule et le numéro de trame. Le SSS est obtenu par entrelacement de deux séquences M de 31 bits, notées m1 et m0. Ces séquences sont ensuites mélangées (scrambled) avec deux autres M-sequences (c0 et c1) qui dépende de la PSS. Il existe 168 combinaisons possibles de décalages de ces séquences, ce qui donne 168 séquences SSS différentes. Chaque combinaison correspond à une paire de points de départ pour les séquences M (traitées de manière cyclique).Le tout donne une Gold-sequence.

Résultat combiné des PSS et SSS

• Le SSS permet de distinguer 168 identifiants de groupe de cellule.
• Le PSS offre 3 identifiants par groupe.
• Le total donne : 3 x 168 = 504 identifiant de cellules physiques (PCI)

b) Signal de référence (RS)

Les Reference Signals sont des signaux connus et prédéfinis, insérés dans des ressources Elements (RE) spécifiques dans chaque sous-trame. Leur rôle est de permettre aux récepteurs (comme les terminaux mobiles ou les stations de base) d'estimer les conditions du canal radio.

Il y a plusieurs type de RS : - CRS (Cell-Specific Reference Signals) : Permet l'estimation du canal par l'UE, le décodage des données transmises et mesure la qualité du signal pour des tâche comme le Handover. Le CRS est présent dans toutes les sous-trames sur des sous-porteuses spécifiques. - DMRS (Demodulation Reference Signals) : Transmis uniquement pour les UE, il aide à démoduler les données transmises à l'utilisateur. - CSI-RS (Channel State Information Reference Signals) : Transmis pour permettre à l'UE de mesurer la qualité du canal et de rapporter des informations sur l'état du canal au réseau (comme la précodification MIMO). - SRS (Sounding Reference Signals) : Utilisés pour la mesure de la qualité du canal dans la bande montante (uplink) et permet au réseau de déterminer la qualité spectrale sur différentes fréquences.

c) Signaux de synchronisation & trame LTE

Dans les trames LTE, les signaux de signalisation se trouvent dans les sous trames 0 et 5. Dans les slot correspondants, le SSS se trouve sur le 6e symboles et le PSS sur le 7e.

d) Procédure de synchronisation

La synchronisation d'un UE à une céllule se fait en 4 étapes :

1. Recherche de signaux de synchronisation

   • L'UE commence par rechercher les signaux PSS et SSS
   • L'UE détecte le PSS en utilisant une correspondance de corrélation (liées aux trois identifiants PSS : 0, 1, 2)
   • la détection du PSS permet la synchronisation au niveau de la trame et l'identification de l'index PSS qui indique un groupe de 3 céllule.
   • Ensuite, le SSS, qui est compris dans les mêmes sous trame que le PSS, est utiliser pour identifier la structure de trame radio (FDD ou TDD).
   • L 'UE determine l'identifiant complet de la céllule et finalise la synchronisation temporelle.

2. Décodage des signaux de référence

   • Une fois que le PSS et SSS est détecté, l'UE se synchronise plus finement en utilisant les RS (Reference Signals).
   • Les CRS sont utilisés pour effectuer une estimation du canal qui permet de compenser le fading radio (atténuation, décalage de fréquence, etc...).

3. Acquisition des informations système

   • Après la synchronisation, l'UE commence à décoder les canaux de diffusions pour les obtenirs les informations nécessaires à sa connexion
   • Le PBCH (Physical broadcast Channel) contient le Master Information Block (MIB), qui donne des informations essentielles comme la lageur de bande utilisé, le nombre d'antennes (MIMO) et la structure de la trame.
   • Le PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) contient le System information Block (SIB), qui donne des informations supplémentaires sur la configuration de la cellule (fréquence, handover, etc...)/

4. Ajustements finaux

   • L'UE ajuste précisément sa synchronisation en fonction de RS (décalage de fréquence, alignement temporel, ...).
   • Une fois synchronisé et les informations système acquises, l'UE commence la procédure d'accès aléatoire (RACH) pour établir une connexion avec la cellule.

Réseau céllulaire - 4G - Uplink

Les trames uplink en LTE concernent la transmission des données de l'équipement utilisateur (UE) vers la station de base (eNodeB). La structure des trames uplink est soigneusement conçue pour permettre une utilisation efficace des ressources radio tout en gérant les interférences, la synchronisation et les besoins en bande passante. Il existe 3 types de canaux Uplink.

I/ PUSCH

Le canal PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) est utilisé pour transmettre les données utilisateur. Il est alloué dynamiquement par l'eNodeB en fonction des besoins de chaque UE. Le canal PUSCH contient le DMRS (Demodulation Reference Signal) et le SRS (Sounding Reference Signals).

• Les DMRS (Demodulation Reference Signals) sont des signaux de référence insérés dans les ressources utilisées pour la transmission de données utilisateur sur le PUSCH. Ils servent à l'eNodeB pour estimer le canal radio et corriger les effets de ce dernier (fading, décalage de phase, etc.). Les DMRS sont transmis uniquement lorsque des données utilisateur sont envoyées sur le PUSCH. S'il n'y a pas de données, il n'y a pas de DMRS.

• Les SRS (Sounding Reference Signals) sont des signaux de référence périodiques transmis sur l'ensemble ou une partie de la bande passante uplink par l'UE. Leur but est d'aider l'eNodeB à évaluer les conditions spectrales du canal pour une planification optimisée des ressources. Contrairement aux DMRS, les SRS sont transmis dans des sous-porteuses dédiées, souvent situées en dehors des ressources utilisées pour la transmission de données.

Les DMRS comme les SRS sont des ZC-sequences/

II/ PUCCH

Le canal PUCCH (Physical Uplink Control Channel) est utilisé pour transmettre les signaux de contrôle. Par exemple : ACK/NACK Il est placé en périphérie de la bande passante pour éviter les interférences avec le PUSCH

III/ PRACH

Le canal PRACH (Physical Random Access Channel) est utilisé pour l'accès aléatoire, par exemple lors de la première connexion d'un UE à la cellule. Il est situé dans des emplacements spécifiques dans la trame uplink.# 4G - Handover

Principe

Le Handover correspond au passage d'une antenne à une autre pour l'UE.

Pour qu'un handover se fasse, il faut que l'UE soit dans la zone de chevauchement entre deux Antenne et que la force du signal de la nouvelle antenne soit supérieur à celle de l'ancienne antenne plus une marge qu'on appel Hysterisys (noté N). On obtient donc : Fs2 > Fs1 + H avec Fs2 = force du signal de la nouvelle antenne et Fs1 = force du signal de l'ancienne antenne.

• La marge Hysterisys compense les fluctuations du signal et évite des Handover trop fréquent et inutile.

Réprésentation graphique

• La force du signal Fs1 diminue à mesure que l'UE s'éloigne de l'eNodeB
• La force du signal Fs1 augmente à mesure que l'UE s'éloigne de l'eNodeB
• T1 est le point de chevauchement à partir duquelle le handover peut se faire (strictement supérieur à t1)

Procédure détaillé

OFDM

Notion importante

• Largeur de canal d'une sous porteuse = (Largeur de canal total en Hz) / (nb de sous-porteuse)

• La durée d'un symbole est l'inverse de la largeur de canal d'une sous-porteuse = 1 / canal sous porteuse (Hz) (Résultat en s)

• Un bloc OFDM correspond au symbole + prexif cyclique. Donc la durée d'une bloc OFDM = durée symbole + durée préfix

• Le nombre de bit par symbole correspond à la modulation X-QAM. Pour connaitre le nombre de bit par symbole, il suffit de convertir le X en puissance de 2 et la puissance est égale au nombre de bit. Exemple : * 16-QAM = 2^4 = 4 bit/symbole * 64-QAM = 2^8 = 8 bit/symboles

• Le débit totale correspond au nombre de sous-porteuse x le nombre de bit par symbole sur la durée d'un bloque OFDM = (nb sous-porteuse x X bit/symbole)/ durée bloc OFDM.

• Si on demande le débit avec ou sans symbole alors il suffit d'enlever le temps symbole au diviseur.