Adaptative Modulation and Coding

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L'Adaptive Modulation and Coding (AMC) est une technique de modulation/codage adaptative de l'information, utilisée notamment dans les transmission radio, sur les réseaux de téléphonie mobile WiMAX, UMTS, LTE et depuis 2012 sur les faisceaux hertziens. Elle consiste à adapter les codes correcteurs et modulations utilisés en fonction de la qualité du signal.

Par exemple, si les modulations disponibles sont le QPSK et le 16-QAM, dans le cas où le canal est marqué comme bon, on utilisera la modulation 16-QAM, qui offre un meilleur débit mais une plus faible robustesse. Par contre, si le canal est marqué comme dégradé, on utilisera la modulation QPSK, permettant un débit plus faible, mais plus robuste.

Dans les faisceaux hertziens cette technique est associée à des mécanismes de QOS (Quality of Service) d'Ethernet. Lorsque la transmission dans l'air se dégrade, la modulation bascule au niveau inférieur, au détriment de la bande passante. Les flux ethernet sont alors écrêtés en commençant par les flux les moins prioritaires. En 2013, les technologies permettent des modulations de 1024 QAM à 16 QAM.

Théorie de la technique AMC[modifier | modifier le code]

Mécanismes[modifier | modifier le code]

Méthode d’utilisation d'un codage adaptatif AMC

La croissance des services pour les dispositifs radio a conduit à l’amélioration de l'efficacité spectrale pour permettre des débits élevés d'informations. Dans les systèmes de communication traditionnels, la transmission est conçue pour un scénario faisant face aux variations du canal, pour fournir un taux d'erreur inférieur à une limite spécifique. Des méthodes adaptatives de transmission ont été élaborées pour rechercher une bonne qualité du canal par l'adaptation de son rendement, afin de tirer profit de sa variabilité dans le temps en ajustant le niveau de puissance transmis, la fréquence des symboles (coding rate), la méthode de codage, la taille de la constellation, ou n'importe quelle combinaison de ces paramètres, pour optimiser l'efficacité spectrale moyenne du lien. Ceci se traduit par un nombre de bits d'information transmis par seconde, pour une bande passante et par fréquence utilisées.

La technique AMC représente un outil prometteur, pour augmenter l'efficacité spectrale des canaux radio, variable dans le temps tout en maintenant un « taux d'erreur binaire » prévisible, l'ordre de modulation ainsi que le FEC sont modifiés par ajustement de leur taux de codage en fonction des variations du canal de transmission. Dans le cas d'un évanouissement élevé par exemple, soit un SNR (rapport signal/bruit) faible, la taille de la constellation du signal est réduite afin d'améliorer la fidélité donc une transmission plus robuste pour un SNR efficace. Réciproquement, en période d'évanouissement faible ou de gain élevé, la taille de la constellation du signal est augmentée afin de permettre d’importants débits de modulation avec une faible probabilité d'erreur, ce qui influence instantanément le SNR.

Un exemple général d'utilisation de la méthode AMC est illustré dans la figure ci-contre, traduisant le cas d’une augmentation de la portée lorsque le système distante s'éloigne, par utilisation une modulation inférieure. Inversement, au plus près de la station de base, des modulations d'ordre supérieures peuvent être employées pour une efficacité accrue.

Performance de la méthode AMC[modifier | modifier le code]

Une bonne performance de la méthode AMC, passe par l'estimation précise de la qualité du canal à la réception et un chemin fiable de rétroaction entre cet estimateur et l'émetteur sur lequel le récepteur renvoie l'information de l'état de canal (CSI) à l'émetteur. Dans le but d'exécuter  un traitement  adéquat,  les étapes suivantes  doivent être respectées :

Estimation de la qualité du canal[modifier | modifier le code]

L'émetteur attend du récepteur une estimation des conditions attendues du canal pour le prochain intervalle de transmission. Le système adaptatif ne peut fonctionner efficacement dans un environnement avec des conditions relatives à une variation faible du canal, que si la connaissance est acquise par la prévision des estimations précédentes de la qualité du canal. Par conséquent, tout retard entre l'estimation de la qualité de la transmission réelle par rapport à la fréquence maximale Doppler du canal devient crucial, pour compenser la faible performance du système si l'estimation du canal est ancienne à l'instant de la transmission.

Adaptation de paramètres[modifier | modifier le code]

Le choix du mode approprié de la modulation et du codage à utiliser, lors d’une nouvelle transmission se fait au niveau de l'émetteur en s’appuyant sur la prévision des conditions du canal. Un seuil de SNR garantit un TEB au-dessous d’une valeur limite TEB0, qui est défini par le système pour chaque méthode à chaque fois que le SNR est au-dessus du seuil.

A partir du TEB, les seuils de SNR sont obtenus en fonction de leurs caractéristiques pour un mode de modulation sur un canal AWGN. Comme décrit par la figure suivante, cette méthode consiste en un découpage de la gamme SNR en N+1 sous régions, par N+2 seuils que nous traduisons par :

Courbes du TEB en fonction du SNR pour la méthode AMC
TEB en fonction du SNR et seuils correspondants aux N codages et modulations utilisées par la méthode AMC

.

Chacune des N  méthodes est alors sollicitée,  pour fonctionner dans une zone particulière du SNR. Quand le SNR  fait partie de la zone, l'information associée à l'état du canal est envoyée de nouveau à l'émetteur. L'émetteur adapte alors le taux de transmission, le codage et la méthode de modulation en  garantissant un TEB au-dessous de son seuil TEBo. Ceci permet au système de transmettre le SNR avec une efficacité spectrale élevée quand il est élevé, et le réduit quand il est faible.

Mécanisme de rétroaction[modifier | modifier le code]

Une fois que la réception a estimé le SNR du canal, elle le convertit en information de TEB pour chaque mode par rapport à un TEB de référence, qui donne le meilleur rendement. Il doit retourner le mode choisi à l'émetteur pour que l'adaptation puisse être effectuée.

Cependant, le défi associé à la modulation adaptative et le codage, est que le canal mobile est variable dans le temps et ainsi la rétroaction d'information du canal devient un facteur limiteur. La conséquence, est telle que l'acceptation d'une variation faible comme un canal fiable de rétroaction devient nécessaire dans le but de réaliser un objectif précis de performance par la méthode AMC. De cette façon, aucun retard ou erreur de transmission,  ne pourrait se produire dans le canal de rétroaction de manière à ce qu'aucune anomalie entre le SNR prévu et réel de la prochaine trame n'apparaisse. Il est à noter d’ailleurs, que la réception doit également être au courant de l’identité des paramètres du démodulateur et du décodage à utiliser pour le prochain paquet reçu.

Implémentation de la technique AMC[modifier | modifier le code]

Mécanisme AMC dans le système WiMAX

Ce paragraphe expose la méthode de modulation adaptative et de codage afin de statuer sur la modulation et le mode de codage à envoyer à l'émetteur, sans compter uniquement les coefficients du canal et de son estimateur afin d’en évaluer le SNR correspondant. Ce traitement permet de présenter l’introduction d’un nouveau bloc de commutation de base pris comme centre de décision. On remarquera, dans la figure,  que le codeur et le mapper existants du côté de la transmission ainsi que le décodeur et le démapper du côté de la réception, sont regroupés dans un bloc unique.

Estimations du SNR[modifier | modifier le code]

Le calcul du SNR est opéré dans l'estimateur du canal correspondant. Le SNR est obtenu par le rapport des puissances signal sur bruit. Le SNR instantané pour chaque trame est donné  par : SNR=s/n

où s et  sont les puissances moyennes du signal et n du bruit dans chaque trame. Comme la puissance du signal s’obtient à partir des coefficients du canal, la puissance du bruit s’évalue à partir de sa variance.

Les longues séquences de formation, sont interpolées à partir de la séquence PALL, et celles associées à PEVEN  ou PODD  utilisent un sous-ensemble de sous-porteuse égales ou impaires, gardent nul le reste du sous-ensemble.Les symboles de formation sont reçus avec un certain bruit additif, et ainsi,les porteuses nulles précédentes ont maintenant une valeur différente de zéro. Le bruit est calculé à partir de ces porteuses. En outre, comme il s'est produit avec l'estimation du canal, il doit être pris en considération si le système utilise une ou deux antennes d'émission. Quand seulement une antenne d'émission est utilisée, le bruit est obtenu à partir PEVEN. Si le système a deux antennes d'émission, les deux séquences PEVEN  et PODD  sont utilisées.

Bloc AMC[modifier | modifier le code]

Courbes du TEB en fonction du SNR pour la méthode AMC

Ce bloc a pour fonction de détecter les seuils de décision, retenant les méthodes de modulation et de codage, qui seront utilisées pour les prochaines trames transmises, en renvoyant cette information non seulement à l'émetteur mais également au récepteur.

Les courbes représentées sur la figure, correspondent aux différentes méthodes de modulation et de codage permises par le système WiMAX, défini d’AMC1 à AMC7. Elles ont été obtenues à partir de simulations supposant une connaissance exacte des coefficients du canal AWGN. L'ensemble de seuils d'adaptation/commutation est obtenu par la lecture des points du SNR correspondant à un TEBseuil.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]