OFDMA
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L'OFDMA(ouorthogonal frequency-division multiple access) est une technique demultiplexageet de codage des données utilisée principalement dans lesréseaux de téléphonie mobilede4eet5egénération. Ce codage radio associe les multiplexages en fréquence et temporel; c'est-à-dire les modes «accès multiple par répartition en fréquence» (AMRF ou en anglaisFDMA) et «accès multiple par répartition temporelle» (AMRT ou en anglaisTDMA). Il est notamment utilisé dans les réseaux de téléphonie mobile 4GLTE[1],LTE Advanced,5GNew RadioetWiMAX(IEEE 802.16e).
L'OFDMA ou l'une de ses variantes sont aussi utilisées dans d'autres systèmes de radiocommunication, telles les versions récentes des normes de réseaux locaux sans filWi-Fi(IEEE 802.11 ax),IEEE 802.22etWiBroainsi que par certaines normes detélévision numérique.
Comme pour d'autres techniques de codage permettant l'accès multiple (TDMA,FDMAouCDMA), l’objectif est de partager une ressourceradiocommune (unebande de fréquence) et d’en attribuer dynamiquement une ou des parties à plusieurs utilisateurs[2].
Origine
[modifier|modifier le code]L'OFDMA et sa varianteSC-FDMAsont dérivées du codageOFDM(utilisé par exemple sur les liensADSL,DOCSIS 3.1et dans certains réseaux WiFi), mais contrairement à l'OFDM, l'OFDMA permet et est optimisé pour l’accès multiple, c’est-à-dire le partage de la ressource spectrale (bande de fréquence) entre de nombreux utilisateurs distants les uns des autres. L’OFDMA est compatible avec la technique des antennesMIMO[3].
L’OFDMA a été développé comme une alternative au codageCDMA,utilisé dans les réseaux 3GUMTSetCDMA2000.L’OFDMA est principalement utilisé dans le sens de transmissiondownlink(antenne-relaisversterminal) des réseaux mobiles car il permet pour une mêmelargeur spectrale,undébit binaireplus élevé grâce à sa grandeefficacité spectrale(nombre de bits transmis parhertz) et à sa capacité à conserver un débit élevé même dans des environnements défavorables avec échos ettrajets multiplesdes ondes radio.
Ce codage (tout comme le CDMA utilisé dans les réseaux mobiles 3G) permet un facteur de réutilisation des fréquences égal à « 1 », c’est-à-dire que descellules radio adjacentespeuvent réutiliser les mêmes fréquences hertziennes.
Principes
[modifier|modifier le code]Le codage OFDMA consiste en un codage et une modulation numérique d'un ou plusieurs signaux binaires pour les transformer en échantillons numériques destinés à être émis sur une (ou plusieurs) antennes radio après conversion numérique/analogique; réciproquement, en réception, le signal radio reçoit le traitement inverse.
DFT (Discrete Fourier Transform):Transformée de Fourier discrète,Subcarrier Equalization:Égalisationdes sous-porteuses, IDFT: DFT inverse, CP (Cyclic Prefix): Préfixe cyclique, PS (Pulse Shaping): mise en forme des impulsions, S-to-P: Transformation Série-Parallèle, DAC (Digital-Analog Converter):Convertisseur numérique-analogique,RF (Radio Frequency):Fréquence radio.
Les blocs "en jaune" (seconde transformée de Fourier et conversion série/parallèle associée) sont spécifiques au SC-FDMA.
Le principe de l'OFDMA est de répartir sur un grand nombre de sous-porteusesles données numériques que l'on veut transmettre, ce qui induit, pour un débit global donné, undébit binairebeaucoup plus faible sur chacun des canaux de transmission; la durée de chaque symbole est ainsi beaucoup plus longue (66,7 µs pour le LTE[1]) que s'il n'y avait qu'une seule porteuse. Cela permet de limiter les problèmes d'interférences inter-symboleset defading(forte atténuation du signal) liés aux « chemins multiples de propagation » qui existent dans les liaisons radio de moyenne et longue portées[4]car quand le débit binaire sur une porteuse est élevé, l'écho d'un symbole arrivant en retard à cause d’une propagationmulti-trajetsperturbe le ou les symboles suivants; plus la durée du symbole est longue, moins les symboles suivants sont perturbés.
La figure suivante décrit l'utilisation des sous-porteuses en LTE: celles en noir, en vert et bleu (les plus nombreuses) transportent les données des utilisateurs, celles en rouge, les informations de synchronisation et designalisationentre les 2 extrémités de la liaison radio.
Un filtrage séparé de chaque sous-porteuse n'est pas nécessaire pour le décodage dans le terminal récepteur, une « transformée de Fourier »FFTest suffisante[5]pour séparer les sous-porteuses l'une de l'autre (dans le cas du LTE, il y a jusqu'à 1200 porteuses indépendantes par sens de transmission)[1].
Orthogonalité(le « O » de OFDMA): en utilisant des signaux orthogonaux les uns aux autres pour les sous-porteusescontiguës, on évite les interférences mutuelles. Ce résultat est obtenu en ayant un écart de fréquence entre les sous-porteuses égal à la fréquence des symboles sur chaque sous-porteuse (l'inverse de la durée du symbole). Cela signifie que lorsque les signaux sont démodulés, il y a un nombre entier de cycles dans la durée d'un symbole et la contribution aux interférences de 2 porteuses orthogonales est égale à zéro[2];en d'autres termes, leproduit scalaireentre chacune des sous-porteuses est nul pendant la durée de transmission d'un symbole.
Dans les réseaux mobiles LTE et 5G phase 1, la durée du symbole est 66,7µs,soit une fréquence de 15kHz,ce qui correspond aussi à l'écart entre les fréquences de 2 sous-porteuses contiguës. Dans les versions des normesWi-Fi(IEEE 802.11g,netac), la durée de chaque symbole est de 3,2µs,soit une fréquence et un écart entre les sous-porteuses de 312,5kHz.La norme Wi-Fi plus récente802.11ax(2020) divise par 4 l'écart en fréquence entre 2 sous porteuses (78,125kHz) et multiplie par 4 le nombre de sous-porteuses.
L’orthogonalité des sous-porteuses permet un resserrement de leurs fréquences et donc une plus grande efficacité spectrale (voir dessin); cela évite d’avoir une « bande de garde » entre chaque sous-porteuse.
Un préfixe cyclique (sigle « CP » dans le dessin ci-dessus) est utilisé dans les transmissions OFDMA, afin de conserver l’orthogonalité et les propriétés sinusoïdales du signal sur lescanauxàtrajets multiples. Ce préfixe cyclique est ajouté au début des symboles émis, il sert aussi d'intervalle de garde, c'est-à-dire un temps entre deux symboles, pendant lequel il n'y a aucune transmission de données utiles; cela permet d'éviter (ou de limiter) les interférences inter-symboles.
Dans la partie radio (eUTRAN) des réseaux mobilesLTE,deux durées différentes de préfixe cyclique sont définies pour s’adapter à des temps de propagation différents du canal de transmission; ces temps dépendent de la taille de la cellule radio et de l'environnement: un préfixe cyclique normal de 4,7 μs (utilisé dans les cellules radio de moins de 2 à 3kmde rayon, les plus nombreuses), et un préfixe cyclique étendu de 16,6 μs utilisable dans les grandes cellules radio; ces préfixes représentent de 7 à 25 % de la durée d’un symbole et réduisent donc un peu le débit utile, surtout dans les grandes cellules (zones rurales).
Avantages et inconvénients
[modifier|modifier le code]La présence de nombreuses sous-porteuses indépendantes permet d'adapter facilement la puissance d'émission de la station de base sur chaque canal au niveau minimum suffisant pour une bonne réception par chaque utilisateur (qui est fonction de la distance avec l'antenne-relais).
Il est aussi possible, grâce au nombre variable de sous-porteuses attribuables à un terminal, d'accroître la portée de l'émetteur radio d'un smartphone lorsqu'il est éloigné de l'antenne réceptrice,tout en respectant la limite de sa puissance globale d’émission (ex: 200 mW maximum pour untéléphone mobileLTE); cela est réalisé en concentrant la puissance émise sur un petit nombre de sous-porteuses (plus précisément sur un faible nombre deResource blocks); cette optimisation se fait au détriment du débit.
Le codage OFDMA a pour contrainte d’imposer une synchronisation très précise des fréquences hertziennes et des horloges des récepteurs et des émetteurs[4]afin de conserver l’orthogonalité des sous-porteuses et d'éviter lesinterférences.
Ce codage est associé (dans les réseaux LTE, Wi-Fi et WiMAX) à desmodulationsde typeQPSKouQAMutilisées sur chacun des canaux (groupes de sous-porteuses), chaque canal visant unutilisateur.Les divers canaux peuvent utiliser au même instant desmodulations différentes,par exemple QPSK et QAM-64, pour s'adapter aux conditions radio locales et à la distance séparant l'antenne de chaqueterminal.
Pour les liaisonsuplink(sens terminal versstation de base) des réseaux mobiles4G« LTE », c’est la varianteSC-FDMAqui est utilisée[1],car ce codage permet de diminuer la puissance électrique crête et donc le coût du terminal et d'augmenter l'autonomie de labatteriedessmartphonesou destablettes tactiles,grâce à unPAPR(peak-to-average power ratio) plus faible que celui de l'OFDMA.
Notes et références
[modifier|modifier le code]- (en)ETSI, normes TS36.201 LTE Physical Layer et TS36.211 LTE Physical Channels3gpp.org,3GPP,janvier 2013
- LTE Advanced: OFDMA4glte.over-blog, avril 2012
- (en)Hujun Yin and Siavash Alamouti, «OFDMA: A Broadband Wireless Access Technology»,IEEE Xplore,IEEE,,pp. 1–4(lire en ligne)
- (en)OFDM/OFDMA basics tutorialradio-electronics, consulté en décembre 2012
- [PDF]Cours Supelec sur OFDM /OFDMAMérouane Debbah supelec.fr, consulté en janvier 2013
