Rapport W-CDMA Coding & Multiplexing

1

Génie des Systèmes de Télécommunication & Réseaux

2009 - 2010

Proposé par : M. Moussaoui

Réalisé par :

M. Anas Bennani M. Anouar Loukili

Mlle Assia Mounir Mlle Hasnae Guennouni

Mlle Ikrame Bellitou M. Yasser EL Khamlichi

Ecole Nationale des Sciences Appliquées de Tanger

WCDMA Coding & Multiplexing: 3GPP WCDMA FDD (Rel 99) Downlink DCH

WCDMA : Coding & Multiplexing 2

Sommaire

Introduction aux Couches W-CDMA ...………………………………………………………….3

W-CDMA : Codage & Multiplexage – Downlink .……………………………………………...6

1. Calcul du Cycling Redundant Check ..……………………………………………….....7

2. Concaténation de Transport block & Segmentation Code Block …………………….8

3. Codage Canal (Forward Error Correction) …………………………………………….9

4. Adaptation de Débit ……………………………………………………………………..10

5. Insertion des Bits d’Indication de Discontinuous Transmission (DTX) …………….10

6. Entrelaceur de Blocs (1st Interleaver) …………………………………………………11

7. Segmentation des Trames Radio ……………………………………………………….12

8. Multiplexage des Canaux de Transport ……………………………………………….13

9. Segmentation des Canaux Physiques …………………………………………………..13

10. 2ème entrelacement ……………………………………………………………………...14

11. Etalement & Modulation (Mapping des Canaux Physiques) ………………………...15

Conclusion………………………………………………………………………………………...16


Introduction aux Couches W-CDMA

L’interface radio de l’UTRAN est structurée en couches dont les protocoles se basent sur

les 3 premières souches du modèle OSI (respectivement la couche physique, la couche liaison de

données et la couche réseau).

Couche 1 :

Cette couche PHY représente la couche physique de l’interface radio qui réalise les fonctions de

codage, décodage, modulation et d’entrelacement.

Couche 2 :

Cette couche est divisée en plusieurs sous couches :

La sous-couche MAC (Medium Access Control) a pour rôle de multiplexer les données sur

les canaux de transport radio.

La sous-couche RLC (Radio Link Control) permet la fiabilité du transport des données

entre deux équipements du réseau.

La sous-couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) permet de compresser les

données via des algorithmes de compression. Cela permet d’exploiter plus efficacement les

ressources radio. De plus, cette sous-couche PDCP a aussi pour rôle de rendre indépendant

les protocoles radio du réseau d’accès UTRAN (sous-couches MAC et RLC) par rapport

aux couches de transport réseau. Ce type d’architecture permettra l’évolution future des

protocoles réseaux sans modifier les protocoles radio de l’UTRAN.

La sous-couche BMC (Broadcast/Multicast Control) est en charge d’assurer les fonctions

de diffusion de messages sur l’interface radio.

Couche 3 :

Cette couche RRC (Radio Resource Control) gère la connexion de signalisation établie entre le

réseau d’accès UTRAN et l’équipement usager, utilisée lors de l’établissement ou de la libération

de la communication.


Figure 1 : Vue en couches de l’interface radio UTRAN

Un découpage vertical permet de différentier entre un plan signalisation qui supporte le transfert

de messages de signalisation entre le mobile et le réseau ainsi qu’un plan usager qui supporte le

transfert de données utilisateurs.

Les flux de données d’un plan comme de l’autre, passent par un certain nombre de canaux avant

d’être diffusées.

Les canaux de transport sont le point d’accès aux services de la couche physique tandis que les

canaux logiques sont le point d’accès au service de la couche MAC (Media Access Control). Un

troisième type de canaux existe, ce sont les canaux physiques sui sont les ressources utilisées sur

l’interface radio pour la transmission des informations.

Dans le présent document, nous allons nous pencher sur l’architecture de la chaine de

codage et multiplexage (couche 1 et 2 du modèle OSI) du système W-CDMA, nous allons essayer

de décrire les différents traitements effectués par les blocs fonctionnels participant dans une

transmission de type système UMTS.

L’idée est de traiter l’architecture via l’étude de la démo Matlab-Simulink WCDMA Coding and

Multiplexing.


Figure 2 : Codage & Multiplexage W-CDMA (canal DCH en Downlink)


W-CDMA : Codage & Multiplexage - Downlink

Dans un souci de simplifier la manière d’entreprendre le sujet et d’avoir une vue global des

différents traitements que les données subissent, on va exposer les étapes d’usinage de l’information de

couche 2 et 1, on va substituer le schéma en blocks Matlab/Simulink précédent par celui ci-après plus

simple et complet.

Le flux de données atteint la couche MAC sous forme de Transport Blocks, il est

codé/décodé pour offrir des services de transport sur la liaison de transmission radio. Les schémas

de codage de canal sont une combinaison de détection d'erreurs, correction d'erreur, adaptation de

débit, entrelacement et mapping de canaux de transport sur/fractionnement de canaux physiques.

Les données arrivent à l’unité codage/multiplexage en forme de séries de Transport Blocks une

fois tous les intervalles de temps de transmission. L'intervalle de temps de transmission (TTI,

Transmission Time Interval) est un canal-transport spécifique dans l'ensemble (10ms, 20ms, 40ms,

80ms). Les étapes de codage/multiplexage suivantes peuvent être identifiées:

Ajouter de CRC (Cyclic Redundancy Check)

pour chaque Transport Block. Concaténation & Segmentation de Transport

Blocks

Codage de canal

Adaptation de débit Insertion de bits d’indication DTX

Entrelacement

Segmentation de trames radio Multiplexage des canaux de transport

Insertion de bits DTX

Segmentation des canaux physiques

Entrelacement Mapping sur les canaux physiques

Figure 3 : Les opérations de la couche physique

La couche physique effectue :

le codage/décodage canal pour la protection

contre les erreurs sur les canaux de transport.

le multiplexage de plusieurs canaux de transport

en un bloc composite CCTrCH (Code Composite

Transport Channel) et la répartition de ce

CCTrCH sur un ou plusieurs canaux physiques ;

en réception, le CCTrCH est démultiplexé sur les

canaux de transport.

l’adaptation du débit qui consiste à rajouter ou à

retirer des bits de protection pour ajuster la taille

des données à la capacité du canal physique.

la modulation et l’étalement de spectre ainsi que

leur fonction inverse.

la synchronisation en fréquence et en temps.

le contrôle de puissance en boucle fermée.

l’exécution des mesures et l’indication des

résultats de mesures aux couches supérieures.

le support de la macrodiversité (un UE peut

communiquer avec plusieurs Noeud B en même

temps).


1) Calcul du Cycling Redundant Check :

La détection d’erreurs par CRC (Cycling Redundant Check) est une méthode qui consiste à ajouter à chaque bloc de transport des bits de parité qui permettent de détecter les erreurs à la réception.

La Détection d'erreurs est prévue sur des blocs de transport à travers un contrôle de redondance cyclique.

Le CRC est de 24, 16, 12, 8 bits ou 0 et il est signalé à partir de couches plus hautes quelle est la taille du CRC qui doit être utilisée pour chaque TrCH.

Le calcul de CRC (Cyclic Redundancy Code) permet au récepteur d'un message de vérifier que les données transmises ne contiennent pas d'erreurs. Pour faire cela, l'émetteur du message calcule une valeur

"CheckSum" qui est fonction du contenu du message, puis l'ajoute à la fin du message.

Le récepteur fait le même calcul, et contrôle que le "CheckSum" a la même valeur que celui de l'émetteur. Un algorithme de CRC donné utilise un polynôme particulier. Comme dans la division binaire, le résultat

donne un quotient et un reste, mais vus comme un polynôme avec un coefficient binaires.

Mettre en application un algorithme de calcul de CRC revient à effectuer une division. Mais nous ne

pouvons pas directement effectuer cette division. Nous allons donc effectuer une division, octet par octet,

de la trame d'entrée. Le récepteur de la trame divisera la somme des octets de la trame + la valeur du CRC

par le même polynôme. Si le reste est NULL, c'est que la trame est correctement reçue. Le choix du polynôme générateur est fonction de la qualité recherchée.

CRC Checker:

Le standard UMTS spécifie quatre polynômes différents pour le calcul de CRC:

- gCRC24(D) = D24

+ D23

+ D6 + D

5+ D + 1

- gCRC16(D) = D16

+ D12

+ D5 + 1

- gCRC12(D) = D12

+ D11

+ D3 + D

2 + D +1

- gCRC8(D) = D8 + D

7 + D

4 + D

3 + D + 1


2) Concaténation de Transport block & Segmentation Code Block :

La concaténation et la segmentation des blocs de transport préparent les données pour la phase de codage

canal. Lorsque plusieurs blocs de transport d’un même canal de transport sont à émettre sur un même

intervalle de temps (TTI), les différents blocs sont concaténés en un bloc unique, fourni ensuite en entrée à

la fonction de codage de canal.

La segmentation de code-blocs est effectuée après la concaténation des Transport Blocks lorsque le nombre

de bits dans un TTI est supérieur à Z. La taille maximale des code-blocs dépendent du codage utilisé pour

le TrCH si c’est convolutif ou turbo code.

Les code-blocs après segmentation ont la même taille. Les tailles maximales de bloc de code sont les

suivantes:

Codage convolutif: Z = 504

Turbo code: Z = 5114

Aucun codage de canal: Z = illimité

3) Codage Canal (Forward Error Correction):

Les code-blocs sont livrés au bloc codage de canal. Les blocs codés sont multiplexés en série de telle sorte

que le bloc ayant le plus faible indice sort le premier du bloc de codage de canal. Les schémas de codage de canal suivant peuvent être appliqués aux TrCHs:

Codage convolutif

Turbo codage Aucun codage de canal


Le codeur convolutif utilisé a une longueur de contrainte K= 9 et les taux de codage sont 1/3 et 1/2.

K-1 bits de traînée (valeur 0) sont ajoutés à la fin du bloc de code avant l'encodage. La valeur initiale du

registre à décalage du codeur doit être «tout 0».

Le standard définit deux schémas de codage pour supporter différentes QoS. Pour la voix et les applications

MPEG-4, le standard emploi un codage convolutif qui donne un taux d’erreur binaire (TEB, ou BER) atteignant les10

-3. Pour les applications données, le standard utilise un turbo codage donnant un BER qui

peut atteindre les 10-6

.

Encodeur Convolutif :

Les spécifications requises dans un encodeur convolutif sont données comme suite:

- Station de base: K = 9 et Taux= 1/2 et 1/3

- Mobile: K = 9 et Taux = 1/3 Un encodeur convolutif utilise des registres à décalage et des XOR.

Turbo Encodeur :

Le turbo codage (qui peut être vu comme la concaténation de deux codeurs convolutifs qui opèrent en parallèle) donne relativement un large gain de codage avec une complexité raisonnable d’implémentation.

Ce schéma de codage est utile pour les services data qui tolèrent les retards de transmission. Les

spécificités W-CDMA sont : Parallel Concatenated Convolutional Code (PCCC) avec deux constituants codeurs à 8-états et un

entrelaceur

Taille de blocks: 40 à 5114 bits

Troncature: Taux= 1/3 (sans troncature : aucun des bits de parité sont systématiques ou perforé);

Taux = 1/2 (avec troncature)

Fermeture des treillis pour le Turbo codage

Ceci est effectué en prenant les bits de queue du feedback du registre à décalage, après que tous les bits

d'information soient codés. Les bits de queue sont ajoutés après l'encodage des bits d'information.

Entrelaceur interne du Turbo code

L’entrelaceur interne du turbo code consiste en la production d'entrelaceur mère et taillage. Pour une

longueur des blocs arbitraire donnée K, un entrelaceur mère est sélectionné à partir de 134 entrelaceurs

mère fixés. Après la génération de l’entrelaceur mère, les bits sont taillés de manière à ajuster l'entrelaceur mère à la longueur de bloc K.


4) Adaptation de Débit :

L’adaptation du débit (ou ajustement) permet d’adapter la taille des blocs, en sortie du codage canal, à la

capacité du canal physique, le nombre de bits n’étant pas forcément égal au nombre de bits d’information

que peut transporter un canal physique.

L’adaptation du débit, permet un mécanisme de mappage des bits de données codés de chaque canal TrCH

aux ressources disponibles en canal PhCH. En effet, le débit dans une trame d’un canal physique est limité

et au cours d’une connexion, un même canal physique peut convoyer des bits d’information issus de

différents canaux de transport. Il faut donc adapter le débit à la sortie de chaque canal de transport.

Du coté encodeur, ceci signifie soit tronquer ou répéter quelques bits codés selon que le nombre de bits disponibles sur canal PhCH est supérieur ou inférieur au nombre de bits codés.

Du coté décodeur ces opérations sont inversées. Pour les bits répétés, les bits de soft décisions reçus sont

combinés pour donner une meilleure estimation de la valeur du bit. En cas de troncature de bits, les bits de soft décisions reçus indiquant qu’il n’y a pas d’information concernant la valeur du bit, sont eux-mêmes

insérés à la place des bits manquant au niveau du décodeur.

5) Insertion des Bits d’Indication de Discontinuous Transmission (DTX) :

En Downlink, le DTX est utilisée pour remplir la trame radio avec des bits. Le point d'insertion de bits

d’indication DTX dépend de si la position des TrCHs dans la trame radio utilisée est fixe ou flexible.

L'UTRAN décider pour chaque CCTrCH si les positions fixes ou flexibles sont utilisées pendant la

connexion. Les Bits d’indication DTX indiquent seulement quand est ce que la transmission doit être

coupée, et ne sont pas transmis.


6) Entrelaceur de Blocs (1st Interleaver) :

Le but de l’entrelacement est de disperser sur le temps les erreurs groupées. Considérons un trafic

voix, la sortie du codeur de voix est sous forme de blocs de 20ms, chacun d’eux consiste en 260 bits qui à la sortie du codeur codage résulte 456 bits.

La figure ci-dessous montre comment l’entrelacement de blocs s’applique. Les 456 bits à l’issue du codage

canal correspondants à l’intervalle de20 ms sont écrits en 57x8 bits mémoire par ligne de gauche à droite et

de haut en bas, puis lu colonne par colonne. Le résultat est 8 sous-blocs numérotés de 1 à 8, chacun de 57 bits. Ainsi chaque deux bits adjacents se retrouvent espacés de 57 bits.

Pour réussir cet entrelacement, les 8 sous-blocs de tout bloc m, sont transmis sur 8 trames, les quatre premières trames sont partagées entre les blocs m-1 et m, et les quatre deuxièmes trames sont partagées

entre les blocs m et m+1. Considérons que le slot k est assigné à un utilisateur donné, le sous-bloc 5 du bloc

m et le sous-bloc 1 du bloc m+1 sont insérés dans le même slot k de la trame n, et ainsi de suite.

Figure 4 : Premier Entrelacement


7) Segmentation des Trames Radio :

Cette fonction a pour but de segmenter la séquence de bits contenue dans un TTI en un nombre entier de

trames consécutives

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 ;

Fonctionnement :

Lorsque l'intervalle de temps de transmission est supérieur à 10 ms, la séquence de bits d'entrée est

segmentée et mappées sur des trames radio Fi consécutives.

La séquence de bits d'entrée est notée xi,1 , xi,2, xi,3,…, xi, xi où i est le nombre TrCH et xi est le nombre de

bits. Les séquences de bits en sortie Fi par TTI sont désignés par yi,ni,1 , yi,ni,2, yi,ni,3,…, yi,ni,yi où ni est le numéro de la trame radio dans le TTI en cours et Yi est le nombre de bits par trame radio pour TrCHi. Les

séquences de sortie sont définies comme suit:

yi,ni,k= xi,((ni-1)yi)+k , ni = 1…Fi, k = 1…Yi où Yi = (Xi / Fi) est le nombre de bits par segment.

Le nième segment est associé à la nième trame radio de l'intervalle de temps de transmission.

Relation entre l'entrée et sortie du bloc de segmentation de la tarme radio en liaison descendante

Les bits à l'entrée du bloc segmentation de trame radio sont représentés par qi1, qi2, qi3,…., qiQi, où i est le

numéro de TrCH et Qi est le nombre de bits. Par conséquent, xik = Qik et Xi = Qi.

La séquence de bits de sortie correspondant à la nième trame radio est notée fi1, fi2, fi3,…., fiVi, où i est le

numéro de TrCH et Vi est le nombre de bits. Dès lors, fi,k= yi,ni,k et Vi = Yi.


8) Multiplexage des Canaux de Transport :

Chaque 10ms, une Trame Radio de chaque TrCH est livrée au multiplexage TrCH. Ces trames radio sont

multiplexées en série dans un canal de transport composite codé (CCTrCH).

En effet, chaque canal de transport délivre une séquence binaire codée. Ces séquences sont ensuite

concaténées les unes après les autres pour ne créer qu’un flot binaire unique en série : le canal de transport

composite codé ou CCTrCH.

9) Segmentation des Canaux Physiques :

Cette fonction est mise en œuvre lorsque plusieurs canaux physiques qui sont utilisés pour transporter

les données d’un CCTrCH particulier.

Figure 5 : Multiplexage des canaux TrCH


Effectivement, 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.

Lorsque plus d'un PhCH est utilisé, la segmentation du canal physique partage les bits entre les différents

PhCH. Les bits d'entrée à la segmentation du canal physique sont indiqués par x1, x2, x3,…., xX , où X est le

nombre de bits d'entrée du bloc de segmentation du canal physique. Le nombre de PhCH est noté P.

Les bits après la segmentation du canal physique sont notés up,1, up,2, up,3,…, up,U, où p est la numéro du PhCH

et U est le nombre de bits dans une trame radio pour chaque PhCH, i.e. U=X/P.

Pour tous les modes, certains bits du flux d'entrée sont mappés à chaque code jusqu'à ce que le nombre de

bits sur le code est U. La totalité des bits du flux d'entrée sont pris pour être mappé avec les codes.

Les bits sur le premier PhCH après la segmentation du canal physique:

u1, k = xk k = 1, 2, …, U

Les bits sur le second PhCH après la segmentation du canal physique:

u2, k = xk+U k = 1, 2, …, U

...

Les bits sur le pième PhCH après la segmentation du canal physique:

uP,k = x k+(P-1)U k = 1, 2 , …, U

Relation entre l'entrée et sortie du bloc de segmentation physique en liaison descendante

Les bits d'entrée au bloc segmentation physique sont donnés par w1, w2, w 3,…., w(PU) . Par conséquent, xk = wk et Y = PU.

10) 2ème entrelacement :

Généralement, les fonctions d’entrelacement ont pour but de rendre la répartition des erreurs plus aléatoires

et d’augmenter ainsi les performances du correcteur d’erreurs. Ce procédé consiste à mélanger une

séquence de bits en émission.

Il existe 2 catégories de techniques d’entrelacement : l’entrelacement par bloc et l’entrelacement

convolutif. Le 2ème entrelacement est un entrelaceur de blocs avec permutations inter-colonne.


11) Etalement & Modulation (Mapping des Canaux Physiques) :

Ces opérations adaptent les données binaires à la transmission sur l’interface radio. L’étalement de spectre

va permettre à plusieurs utilisateurs d’être présents simultanément sur une même bande de fréquence.

La modulation utilisée sera de type QPSK et va permettre la transmission de deux bits par symbole ou,

plutôt de deux chips par symbole puisque le signal binaire a déjà été étalé.

Les bits d'entrée pour le mappage du canal physique sont indiqués par vp,1, vp,2, vp,3,…., vp,U, où p est le

numéro du PhCH et U est le nombre de bits dans une trame radio pour un PhCH. Les bits vp,k sont mappés

avec le PhCH de telle sorte que les bits pour chaque PhCH sont transmis par l'air dans l'ordre croissant à

l'égard de k.

En mode compressé, il n’y a pas de bits mappés avec certains slots du PhCH. Si Nfirst + TGL 15, aucun

des bits n’est mappé avec les slots de Nfirst à Nlast . Si Nfirst + TGL > 15, le mappage se présente comme suit:

- Dans la première trame radio : Pas de bits mappés avec des slots Nfirst, Nfirst+1, Nfirst+2, …, 14.

- Dans la deuxième trame radio : Pas de bits mappés avec les slots 0, 1, 2, …, Nlast.

TGL: Transmission Gap Length, est le nombre de slots vides consécutives qui ont été obtenus avec une

méthode de réduction de temps de transmission. 0 TGL 14.

En downlink:

En liaison descendante, les PhCH n'ont pas besoin d'être complètement remplis de bits. Les valeurs

vp,k {0, 1} correspondent aux indicateurs de DTX, qui sont mappés au DPCCH / DPDCH mais ne

sont pas transmis sur les ondes.

En mode compressé en réduisant le facteur d'étalement par 2, les bits de données sont toujours mappés en

7.5 slots dans une trame compressée. Pas de bits mappés avec le DPDCH correspondant comme suit:

If Nfirst + TGL 15, i.e. the transmission gap spans one radio frame, if Nfirst + 7 14 no bits are mapped to slots Nfirst,Nfirst + 1, Nfirst +2,…, Nfirst+6

no bits are mapped to the first (NData1+ NData2)/2 bit positions of slot Nfirst+7 else no bits are mapped to slots Nfirst, Nfirst + 1, Nfirst + 2,…, 14 no bits are mapped to slots Nfirst - 1, Nfirst - 2, Nfirst - 3, …, 8 no bits are mapped to the last (NData1+ NData2)/2 bit positions of slot 7 end if

if Nfirst + TGL > 15, In the first radio frame, no bits are mapped to last (NData1+ NData2)/2 bit positions in slot 7 as well as to slots 8, 9, 10, ..., 14. In the second radio frame, no bits are mapped to slots 0, 1, 2, ..., 6 as well as to first (NData1+ NData2)/2 bit positions in slot 7.


Conclusion

L'interface radio de l'UMTS se base sur le W-CDMA (Wideband Code Division Multiple

Access). Cependant, le W-CDMA se base sur une technique plus ancienne qui est le CDMA

(Code Division Multiple Access).

L’étude des couches basses WCDMA nous a permis de mieux comprendre les concepts du

W-CDMA, et par suite de comprendre la technique du CDMA. Le CDMA (Code Division

Multiple Access) est utilisé dans de nombreux systèmes de communication. Il permet d’avoir

plusieurs utilisateurs sur une même onde porteuse. Les transmissions sont numérisées, dites à

étalement de spectre. L’étalement du spectre rend le signal moins sensible aux fluctuations

sélectives en fréquence. Le signal est ainsi transmis sur une bande de fréquences beaucoup plus

large que la bande de fréquences nécessaire.

Cette technologie présente plusieurs avantages à savoir l’efficacité spectrale, la sécurité de la

transmission (le signal codé est détectable comme étant du bruit), le handover, la Gestion du plan

de fréquences et la Concentration de trafic.

Cependant, même si la technologie WCDMA a permis d’autres services sur mobile qui

n’existaient pas sur les systèmes 2G, la gourmandise du client en termes de débits plus élevés et

meilleures performances a mené la WCDMA à ses limites. En effet, l’augmentation du débit

entraine la conception de systèmes certes plus complexe mais surtout plus chers.

A cet effet, les organismes de standardisation des systèmes de télécommunications cellulaires au

sein de l’IUT on déjà entamé leurs travaux sur une nouvelle génération de standard mobiles

baptisée 4G LTE Advanced.

Documents

Rapport W-CDMA Coding & Multiplexing