Le WCDMA et les systèmes de troisième génération
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par Harri Holma, Antti Toskala et Ukko Lappalainen
Le WCDMA et les systèmes de troisième génération
Les réseaux cellulaires analogiques ont été communément appelés « systèmes de première
génération ». Quant aux réseaux numériques utilisés à l'heure actuelle, comme le GSM, le
PDC (Personal Digital Cellular), le CdmaOne (IS-95) et l'US-TDMA (IS-136), ils sont re-
groupés sous l’appellation de « systèmes de deuxième génération ». Ces systèmes ont per-
mis aux communications vocales de s’affranchir de la traditionnelle paire de cuivre et de
gérer efficacement la mobilité de leurs utilisateurs. Ces derniers ont pu progressivement dé-
couvrir les avantages de nouveaux services, comme les messages courts et l'accès aux ré-
seaux de données.
Les systèmes dits de « troisième génération » ont été conçus pour les communications mul-
timedia. Avec ces nouveaux systèmes, les communications pourront être enrichies d'images
et de vidéo de grande qualité. L'accès aux informations et aux services, que ce soit sur des
réseaux publics ou privés, sera facilité par des débits nettement supérieurs et des fonction-
nalités avancées. Cela, combiné avec l'évolution continuelle des systèmes de deuxième gé-
nération, créera de formidables opportunités économiques, non seulement pour les
constructeurs et les opérateurs, mais aussi pour les fournisseurs de contenus et d'applica-
tions utilisant ces réseaux.
Dans les différents forums de normalisation, la technologie WCDMA (Wideband Code Di-
vision Multiple Access) s’est révélée être celle qui a été adoptée le plus largement. Le 3GPP
(3rd Generation Partnership Project) est en charge de la rédaction de ses spécification. Il
regroupe de nombreux organismes de normalisation tant en Europe que dans le reste du
monde (Japon, Corée, Chine et Etats-Unis). Au sein du 3GPP, le WCDMA est appelé
UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) FDD (Frequency Division Duplex) et TDD
(Time Division Duplex), le terme WCDMA étant employé pour couvrir à la fois le mode
FDD et TDD.20 UMTS
Tout au long de cet ouvrage, dans les chapitres traitant des spécifications, seront utilisés les
termes du 3GPP, à savoir UTRA FDD et TDD, alors que dans les autres, sera utilisé le terme
plus générique WCDMA. Ce livre traite principalement de la technologie WCDMA FDD.
Cependant, le mode WCDMA TDD et ses différences par rapport au mode WCDMA FDD
seront évoqués au chapitre 11.
Les interfaces air et l’allocation du spectre
Les systèmes de troisième génération ont vu le jour en 1992. C’est durant l’une de ses réu-
nions que le WARC (World Administrative Radio Conference) de l’ITU (International Te-
lecommunications Union) identifia les fréquences autour de 2 GHz comme celles qui
seraient attribuées aux futurs systèmes de troisième génération, tant satellites que terrestres.
Au sein de l’ITU, ces systèmes furent appelés IMT-2000 (International Mobile Telephony
2000). Dans cette structure, plusieurs interfaces air ont été définies, fondées aussi bien sur
la technologie CDMA (Code Division Multiple Access) que la technologie TDMA (Time
Division Multiple Access). Nous y reviendrons dans le chapitre 2.
Cependant, l’objectif de départ était de définir une seule et unique interface air pour ces sys-
tèmes IMT-2000. Les systèmes de troisième génération ont su rester tout de même plus pro-
ches de cet objectif que ne l’ont été les systèmes de deuxième génération. La même
interface air - WCDMA - doit être utilisée en Europe et en Asie (Japon et Corée inclus).
Cette interface air utilise la bande de fréquences autour de 2 GHz allouée par le WARC-92.
Pourtant, en Amérique du Nord, ce spectre a déjà été vendu aux enchères à des opérateurs
utilisant des systèmes de deuxième génération. Aucun spectre supplémentaire ne sera dis-
ponible pour l’IMT-2000. Cela signifie que, dans ces pays, ces fréquences devront être li-
bérées ou partagées afin d’introduire les systèmes de troisième génération. La totalité du
spectre IMT-2000 n’est en fait pas disponible dans les pays qui ont introduit le PCS (Per-
sonal Communications Systems) en tant que système de deuxième génération.
Outre le WCDMA, les interfaces air pouvant être utilisées pour fournir des services de troi-
sième génération sont EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) et le CDMA à mul-
tiples porteuses (cdma2000). EDGE permet d’offrir des débits allant jusqu’à 500 kbit/s avec
un espacement fréquentiel entre porteuses de 200 kHz [1]. EDGE comprend des fonction-
nalités avancées, ne faisant pas partie du GSM, afin d’améliorer l’efficacité spectrale et de
supporter de nouveaux services. Le CDMA à multiples porteuses, quant à lui, peut être uti-
lisé comme une solution d’extension par les opérateurs existants IS-95. Il sera présenté plus
en détail dans le chapitre 12.
Les zones géographiques où seront probablement utilisées ces différentes interfaces air ain-
si que leurs bandes de fréquence respectives sont présentées dans la Figure 1. Notons que
dans chaque région, il existe des exceptions locales, là où sont déjà déployées plusieurs
technologies. L’allocation du spectre en Europe, au Japon, en Corée et aux Etats-Unis, est
présentée dans la Figure 2.INTRODUCTION 21
En Europe et dans la plupart des pays asiatiques, les bandes de fréquences IMT-2000 d’une
largeur de 60 MHz (1920-1980 MHz et 2110-2170 MHz) seront disponibles pour le WCD-
MA FDD. En revanche, le spectre pour le WCDMA TDD varie selon les pays. En Europe,
il est prévu de réserver 25 MHz pour des licences TDD, dans les bandes 1900-1920 MHz
et 2020-2025 MHz, alors que la bande 2010-2020 MHz est réservée pour des applications
TDD ne nécessitant pas de licence. Les systèmes FDD utilisent deux bandes de fréquences
différentes, une pour le sens montant (uplink) et l’autre pour le sens descendant (downlink),
séparées par un intervalle fréquentiel, tandis que les systèmes TDD utilisent la même bande
de fréquences pour les deux sens, uplink et downlink.
Figure 1 Interfaces air et spectres des systèmes de troisième génération
Au Japon et en Corée, la bande IMT-2000 est la même que dans le reste de l’Asie et en Eu-
rope. Le Japon a déployé des systèmes de deuxième génération PDC tandis que la Corée a
opté pour l’IS-95. L’allocation du spectre en Corée est cependant différente de celle des
Etats-Unis, laissant le spectre IMT-2000 entièrement disponible. Au Japon, une partie de ce
spectre est en revanche utilisée par le système PHS (Personal Handy phone System) de té-
léphonie sans fil.
En Chine, une partie du spectre IMT-2000 est réservée pour les systèmes PCS et la boucle
locale radio (WLL, Wireless Local Loop), bien que ces fréquences n’aient été pour l’instant
attribuées à aucun opérateur. En fonction des décisions des autorités de régulation chinoi-
ses, deux bandes de fréquences de 60 MHz pourraient être disponibles pour le WCDMA
FDD. Le spectre TDD est, quant à lui, d’ores et déjà réservé.22 UMTS
Aux Etat-Unis, aucun spectre supplémentaire n’a pour l’instant été attribué. Les systèmes
de troisième génération devront donc être implémentés sur le spectre PCS existant, qui de-
vra être libéré en partie ou en totalité. Concernant cette bande PCS, tous les systèmes de
troisième génération peuvent être considérés, mais EDGE possède un avantage non négli-
geable puisqu’il s’agit d’un système à bande étroite. Avec EDGE, moins de spectre est né-
cessaire pour déployer des services de troisième génération, mais le CDMA à multiples
porteuses et le WCDMA ne sont pas exclus pour l’instant.
Figure 2 Allocation du spectre en Europe, au Japon, en Corée et aux Etats-Unis
EDGE peut être déployé là où les fréquences GSM 900 et GSM 1800 sont utilisées, ce qui
n’est pas le cas, par exemple, en Corée et au Japon. Le spectre GSM 900 s’étend sur deux
bandes de 25 MHz, plus deux bandes de 10 MHz pour le EGSM (Enhanced GSM) qui est
une extension du GSM. Quant à celui du GSM 1800, il s’étend sur deux bandes de 75 MHz.
Notons que la totalité du spectre GSM (GSM 900, EGSM et GSM 1800) n’est pas disponi-
ble dans tous les pays. Dans un futur plus ou moins proche, il sera possible d’utiliser le
WCDMA sur les bandes GSM qui se libéreront, mais pour l’instant EDGE est la solution
la plus logique pour fournir des services de troisième génération sur les bandes GSM.
Concernant le spectre IMT-2000, l’attribution des licences est en cours. Les premières li-
cences ont été attribuées en Finlande en Mars 1999, puis en Espagne en Mars 2000 et en
Suède en Décembre 2000. Pour ces trois pays, les licences ont été attribuées sur dossier,
comme le furent la majorité des licences GSM en Europe. Certains pays, comme le Royau-
me Uni, l’Allemagne et l’Italie, ont opté pour une mise aux enchères des licences, pratique
similaire à celle employée aux Etats-Unis pour le spectre PCS.INTRODUCTION 23
Les licences UMTS attribuées en Europe et au Japon sont présentées dans le Tableau 1. Le
nombre d’opérateurs varie de trois à six selon les pays.
Tableau 1 Licences UMTS attribuées (à la fin de l’année 2000)
Nombre de porteuses Nombre de porteuses
Nombre
Pays FDD (2 x 5 MHz) par TDD (1 x 5 MHz) par
d’opérateurs
opérateur opérateur
Finlande 4 3 1
Japon 3 4 0
Espagne 4 3 1
Royaume Uni 5 2-3 0-1
Allemagne 6 2 0-1
Pays-Bas 5 2-3 0-1
Italie 5 2 1
Autriche 6 2 0-2
Suède 4 3 1
Norvège 4 3 1
Il est prévu que d’autres fréquences soient allouées pour l’IMT-2000. Lors de la réunion du
WARC-2000 au mois de Mai 2000, les bandes de fréquences suivantes ont été identifiées :
806 - 960 MHz.
1710 - 1885 MHz.
2500 - 2690 MHz.
Notons que certaines portions de ces bandes de fréquences, en particulier celles en dessous
de 2 GHz, sont en partie utilisées par des systèmes de deuxième génération, tel que le GSM.
Des discussions sont en cours afin de déterminer quelles portions pourraient être utilisées
pour l’IMT-2000 et celles qui devraient être par conséquent libérées.
Le calendrier des systèmes de troisième génération
Les travaux de recherche sur le WCDMA ont débuté au début des années quatre-vingt-dix
au sein de projets européens de recherche, tels que CODIT (Code division test bed [2]) et
FRAMES (Future radio wideband multiple access system [3]). Ces travaux ont été menés
avec la collaboration des principales sociétés de téléphonie mobile [4]. Ils ont permis, au24 UMTS
cours d’expérimentations, d’évaluer les performances des systèmes WCDMA [5] et de
mieux en comprendre le fonctionnement, étape indispensable avant toute tentative de nor-
malisation. En janvier 1998, l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) a
choisi le WCDMA comme interface air standard des systèmes de troisième génération [6]
et sa normalisation a été prise en charge par le 3GPP. Les premières spécifications en ont
été achevées à la fin de l’année 1999.
Les premières ouvertures commerciales des réseaux de troisième génération sont prévues
pour le courant de l’année 2001 au Japon et au début de l’année 2002 en Europe et dans le
reste de l’Asie. La Figure 3 rappelle les différentes étapes de la normalisation et de la mise
en place de ces systèmes de troisième génération. Il ne s’agit ici que de réseaux fonctionnant
en mode FDD, le mode TDD devrait suivre un peu plus tard. Les premiers réseaux TDD
devraient être fondées directement sur la version R2000 (Release 2000) des spécifications
du 3GPP. Au Japon, le calendrier du mode TDD est d’autant plus incertain que le spectre
TDD n’est pas disponible.
Figure 3 Normalisation et ouverture commerciale des systèmes 3G
Le premier réseau GSM, Radiolinja, vit le jour en juillet 1991 en Finlande. Depuis, dans de
nombreux pays, la téléphonie mobile a atteint un taux de pénétration de la population de
50%, voire de 70% dans certains cas. Les systèmes de deuxième génération comme le
GSM, ont principalement été conçus pour la voix et il reste maintenant aux systèmes de troi-
sième génération de développer toute une gamme de services données, toujours dans un
contexte de mobilité.
Le WCDMA et les interfaces air de deuxième génération
Nous allons maintenant nous intéresser aux principales différences qui existent entre les in-
terfaces air des systèmes de deuxième et de troisième génération (2G et 3G). Le GSM et
l’IS-95 (la norme des systèmes cdmaOne) sont les deux interfaces air de deuxième généra-
tion que nous allons considérer ici. Il en existe bien évidemment d’autres comme le PDC,INTRODUCTION 25
au Japon, et l’US-TDMA, en Amérique du Nord. Ces deux dernières sont fondées sur une
technologie TDMA et elles sont plus proches du GSM que de l’IS-95. Rappelons que ces
systèmes de deuxième génération ont été conçus pour des services voix.
Pour mieux comprendre les origines des différences entre les systèmes 2G et 3G, il est im-
portant de connaître les nouveaux besoins des systèmes de troisième génération :
hauts débits (allant jusqu’à 2 Mbit/s).
débit variable (bande passante à la demande).
multiplexage de services ayant une qualité de service différente (voix, vidéo, don-
nées, etc.) sur une même connexion.
délai (faible pour les services temps réel, plus important et variable (best effort) pour
certains services données).
qualité (d’un taux d’erreur trame de 10% à un taux d’erreur bit de 10-6).
co-existence des systèmes 2G et 3G.
handovers inter-systèmes (pour des raisons de couverture ou de partage de charge).
support de trafics uplink et downlink asymétriques.
forte efficacité spectrale.
co-existence des modes FDD et TDD.
Les principales différences entre les interfaces air WCDMA et GSM sont présentées dans
le Tableau 2. Ces différences reflètent bien les nouveaux besoins des systèmes de troisième
génération. Par exemple, la plus grande bande passante du WCDMA (5 MHz) est nécessai-
re pour supporter des débits plus importants. La diversité de transmission a été adoptée par
le WCDMA afin d’augmenter la capacité downlink et d’offrir ainsi des capacités downlink
et uplink asymétriques. Notons que cette diversité de transmission n’est pas supportée par
les systèmes de deuxième génération. La transmission simultanée de plusieurs services ca-
ractérisés par différents débits et qualités de service nécessite la mise en place de nouveaux
algorithmes de gestion des ressources radio afin de garantir la qualité de service globale et
de maximiser le débit total.
Le WCDMA et l’IS-95 utilisent tous deux la méthode d’accès multiple par répartition de
code au moyen d’une modulation par séquence directe (DS-CDMA, Direct Sequence Code
Division Multiple Access). Le plus fort débit chip, qui correspond au débit de la séquence
de codage du WCDMA, permet une meilleure efficacité de la diversité de trajets multiples
que le débit chip de 1,2288 Mcp/s de l’IS-95, en particulier pour les cellules de petite taille
en environnement urbain. L’importance de la diversité de trajets multiples et son impact sur
les performances du système seront présentés dans les sections 8.2.1.2 et 10.2.1.3. Notons
tout de même qu’une meilleure diversité de trajets multiples améliore la couverture radio et26 UMTS
que l’utilisation d’un débit chip élevé permet de réaliser des gains en transmission, surtout
pour les services haut débit.
Tableau 2 Principales différences entre les interfaces air WCDMA et GSM
WCDMA GSM
Espacement entre porteuses 5 MHz 200 kHz
Motif de réutilisation des fréquences 1 1-18
Fréquence de contrôle de puissance 1 500 Hz 2 Hz (ou moins)
Algorithmes de gestion
Contrôle de qualité Plan de fréquences
des ressources radio
Diversité de fréquence Récepteur Rake Saut de fréquence
En fonction du nombre
Transmission de données En fonction de la charge de time slot disponibles
(en GPRS)
Non supportée par la
Supportée, augmente la
Diversité de transmission downlink norme, peut être
capacité downlink
implémentée
Les principales différences entre les interfaces air WCDMA et IS-95 sont présentées dans
le Tableau 3.
Tableau 3 Principales différences entre les interfaces air WCDMA et IS-95
WCDMA IS-95
Espacement entre porteuses 5 MHz 1,25 MHz
Débit chip
3,84 Mcp/s 1,2288 Mcp/s
(débit de la séquence de codage)
1 500 Hz uplink : 800 Hz
Fréquence de contrôle de puissance
(uplink et downlink) downlink : lent
Nécessaire
Synchronisation des stations de base Pas nécessaire
(obtenue par GPS)
Handover inter-fréquences Oui Possible
Algorithmes de gestion des Pas nécessaires
Oui
ressources radio pour la voix
Transmission de données En fonction de la charge Mode circuit
Supportée, augmente la Non supportée
Diversité de transmission downlink
capacité downlink par la normeINTRODUCTION 27
Le WCDMA réalise un contrôle de puissance sur les sens uplink et downlink à une fréquen-
ce de 1 500 Hz. La fréquence à laquelle ce contrôle de puissance est réalisé en IS-95 est net-
tement plus faible, surtout pour le sens downlink. Le fait de réajuster la puissance sur le sens
downlink très fréquemment permet d’augmenter les performances de la liaison ainsi que la
capacité totale downlink, mais cela nécessite de nouvelles fonctionnalités au sein du mobi-
le, telles que l’estimation du rapport signal à interférence (SIR, Signal to Interference Ratio)
et la mise en place d’un contrôle de puissance en boucle externe, ce qui n’est pas nécessaire
pour les mobiles IS-95.
Les systèmes IS-95 ont été conçus principalement pour des réseaux macro-cellulaires. Les
stations de base de tels réseaux sont généralement installées sur des mâts ou sur les toits des
immeubles où les signaux du système GPS (Global Positioning System) sont facilement re-
çus. Ces stations de base doivent en effet être synchronisées entre elles et cette synchroni-
sation est généralement assurée par le système GPS. Cela devient problématique pour les
micro-cellules et les cellules indoor qui, selon leur emplacement, peuvent ne pas recevoir
les signaux GPS. Le CDMA, quant à lui, a été conçu pour fonctionner sans synchronisation.
Ce fonctionnement asynchrone des stations de base rend par conséquent le mécanisme
d’handover légèrement différent de celui employé par l’IS-95.
Les handovers inter-fréquences est une autre spécificité du WCDMA, développée pour
augmenter l’utilisation de plusieurs porteuses au sein du même station de base. Dans la nor-
me IS-95, les mesures permettant le handover inter-fréquences n’ont pas été définies, ce qui
rend plus difficile la mise en place d’un tel fonctionnement.
Comme nous pouvons le remarquer, il existe de nombreuses différences entre ces trois in-
terfaces air, mais n’oublions pas que le développement des interfaces air de troisième gé-
nération s’est appuyé sur l’expérience acquise grâce à celles de deuxième génération.
Rappelons également qu’une bonne compréhension de l’interface air WCDMA, de la cou-
che physique jusqu’à la planification radio et à l’optimisation des performances, est indis-
pensable pour bien appréhender la globalité des réseaux de troisième génération.
Les réseaux cœur
Les réseaux d’accès WCDMA peuvent se connecter principalement à trois types de réseaux
cœur. Les systèmes de deuxième génération s’appuient soit sur un réseau cœur GSM, soit
sur un réseau de type IS-41. Ces deux derniers sont évidemment pressentis pour les systè-
mes de troisième génération, mais une alternative existe : il s’agit d’un réseau GPRS basé
sur un réseau cœur tout IP (full-IP). Les principales possibilités de raccordements entre ré-
seau cœur et interfaces air sont présentées dans la Figure 4. D’autres possibilités sont envi-
sageables dont certaines pourraient faire leur apparition au sein des organismes de
normalisation.28 UMTS
Figure 4 Relations Réseau cœur et Interfaces air de troisième génération
Les besoins du marché devrait déterminer les combinaisons qui seront utilisées par les opé-
rateurs. Il est prévisible que ces derniers conserveront leur réseau cœur actuel pour les ser-
vices voix en leur ajoutant des fonctionnalités de traitement et de transport pour les
nouveaux services données. A moyen terme, il sera possible d’utiliser un seul réseau cœur
IP pour l’ensemble de ces services.
A cause des différentes technologies et fréquences utilisées à travers le monde, le roaming
nécessitera des accords spécifiques entre opérateurs ainsi que l’utilisation de terminaux
multi-modes et multi-bandes et de passerelles nationales et internationales entre les diffé-
rents réseaux cœur. Cependant, pour l’utilisateur final, ces accords seront transparents et les
terminaux multi-modes et multi-bandes devraient apparaître pour les clients qui sont prêts
à payer le prix fort pour un service de télécommunications global et mondial.
Références
[1] Pirhonen, R., Rautava, T. and Penttinen, J., « TDMA Convergence for Packet Data
Services », IEEE Personal Communications Magazine, Juin 1999, Vol. 6, No. 3, pp.
68-73.
[2] Andermo, P.-G. (ed.), « UMTS Code Division Testbed (CODIT) », CODIT Final
Review Report, Septembre 1995.INTRODUCTION 29
[3] Nikula, E., Toskala, A., Dahlman, E., Girard, L. and Klein, A., « FRAMES Multiple
Access for UMTS and IMT-2000 », IEEE Personal Communications Magazine,
Avril 1998, pp. 16-24.
[4] Ojanperä, T., Rikkinen, K., Häkkinen, H., Pehkonen, K., Hottinen, A. and Lilleberg,
J., « Design of a 3rd Generation Multirate CDMA System with Multiuser Detection,
MUD-CDMA », Proc. ISSSTA'96, Mainz, Germany, Septembre 1996, pp. 334-338.
[5] Pajukoski, K. and Savusalo, J., « Wideband CDMA Test System », Proc. IEEE Int.
Conf. on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, PIMRC'97, Helsinki,
Finland, 1-4 Septembre 1997, pp. 669-672.
[6] Holma, H., Toskala, A. and Latva-aho, M., « Asynchronous Wideband CDMA for
IMT-2000 », SK Telecom Journal, South Korea, Vol. 8, No. 6, 1998, pp. 1007-1021.Vous pouvez aussi lire
