OFDMA

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L'OFDMA (ou Orthogonal Frequency Division Multiple Access) est une technologie de téléphonie mobile utilisée dans les réseaux de téléphonie mobile de 4e génération. 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 anglais FDMA) et « Accès multiple à répartition dans le temps » (AMRT ou en anglais TDMA). Il est notamment utilisé dans les réseaux de téléphonie mobile 4G LTE[1], LTE Advanced et WiMAX mobile (IEEE 802.16e). L'OFDMA (ou une variante proche) est aussi utilisé dans d'autres systèmes de radiocommunication, telles les versions évoluées des normes de réseaux locaux sans fil WIFI (IEEE 802.11 versions n et ac, IEEE 802.22 et WiBro) ainsi que par certaines normes de télévision numérique.

Comme pour d'autres techniques de codage permettant l'accès multiple (TDMA, FDMA ou CDMA), l’objectif est de partager une ressource radio commune (bande de fréquence) et d’en attribuer dynamiquement une ou des parties à plusieurs utilisateurs[2].

Origine[modifier | modifier le code]

L'OFDMA et sa variante SC-FDMA sont dérivés du codage OFDM (utilisé par exemple sur les liens ADSL et dans les réseaux WiFI), mais contrairement à l'OFDM, l'OFDMA est optimisé pour l’accès multiple, c’est-à-dire le partage de la ressource spectrale (bande de fréquence) entre plusieurs utilisateurs distants les uns des autres. L’OFDMA est compatible avec la technique des antennes MIMO[3] .

L’OFDMA a été développé comme une alternative au codage CDMA, utilisé dans les réseaux 3G UMTS. L’OFDMA est surtout utilisé dans le sens de transmission downlink (antenne-relais vers terminal) des réseaux mobiles car il permet pour une même largeur spectrale, un débit binaire plus élevé grâce à sa grande efficacité spectrale (nombre de bits transmis par Hertz) et à sa capacité à conserver un débit élevé même dans des environnements défavorables avec échos et trajets multiples des 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 des cellules radio adjacentes peuvent 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 ; réciproquement le signal radio reçu reçoit le traitement inverse.

Codages radio OFDMA et SC-FDMA : codage et conversions numérique/analogique. Glossaire :
DFT (Discrete Fourier Transform) : Transformée de Fourier discrète, Subcarrier Equalization : Égalisation des sous-porteuses, IDFT : DFT inverse, CP (Cyclic Prefix) : Préfixe Cyclique, S-to-P : Transformation Série-Parallèle, DAC (Digital-Analog Converter) : Convertisseur numérique-analogique, RF (Radio Frequency) : Fréquence radio.

Le principe de l'OFDMA est de répartir sur un grand nombre de sous-porteuses le signal numérique que l'on veut transmettre, ce qui permet, pour un même débit global, d'avoir sur chacun des canaux un débit binaire beaucoup plus faible ; le temps d'émission de chaque symbole est ainsi beaucoup plus long (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-symboles et de fading (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 propagation multi-trajets perturbe le ou les symboles suivants.

La figure suivante décrit l'utilisation des sous porteuses : celles en noir, en vert et bleu (les plus nombreuses) transportent les données des utilisateurs, celles en rouge, les informations de synchronisation et de signalisation entre les 2 extrémités de la liaison radio.

Représentation et rôle des sous-porteuses

Un filtrage séparé de chaque sous-porteuse n'est pas nécessaire pour le décodage dans le terminal récepteur, une « Transformée de Fourier » FFT est 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-porteuses contiguës, on évite les interférences mutuelles. Ce résultat est obtenu en ayant un écart de fréquence entre les sous-porteuses qui est 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, ils ont un nombre entier de cycles dans la durée du symbole et leur contribution aux interférences est égale à zéro[2] ; en d'autres termes, le produit scalaire entre chacune des sous-porteuses est nul pendant la durée de transmission d'un symbole (66.7 µs en LTE, soit une fréquence de 15 kHz, ce qui correspond aussi à l'écart de fréquence entre 2 sous-porteuses).

Exemple de modulation OFDM/OFDMA avec 4 sous-porteuses orthogonales.

L’orthogonalité des sous-porteuses permet un resserrement de leurs fréquences et donc une plus grande efficacité spectrale (voir dessin) ; cela évite aussi 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 les canaux à trajets 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 mobiles LTE, 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 3 km de rayon), et un préfixe cyclique étendu de 16,6 μs utilisé 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 chaque canal au niveau minimum suffisant pour une bonne réception par chaque utilisateur (qui est fonction de sa distance avec l'antenne-relais).

Il est aussi possible, grâce au grand nombre de sous-porteuses, d'accroître la portée d’un émetteur radio, lorsqu'il est éloigné de l'antenne réceptrice, tout en limitant la puissance d’émission (ex : 1 watt maximum pour un téléphone mobile 4G) ; ceci peut être réalisé en concentrant la puissance émise sur un petit nombre de sous-porteuses. 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 les interférences.

Ce codage est associé (dans les réseaux LTE et WiMAX) à des modulations de type QPSK ou QAM utilisées sur chacun des canaux (groupes de sous-porteuses, chaque canal visant un utilisateur). Les divers canaux peuvent utiliser au même instant des modulations différentes, par exemple QPSK et QAM-64, pour s'adapter aux conditions radio locales et à la distance séparant l'antenne de chaque terminal.

Pour les liaisons uplink (sens terminal vers station de base) des réseaux mobiles 4G « LTE », c’est la variante SC-FDMA qui 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 la batterie des smartphones ou des tablettes tactiles, grâce à un PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) plus faible que celui de l'OFDMA.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d (en) ETSI, normes TS36.201 LTE Physical Layer et TS36.211 LTE Physical Channels 3gpp.org, 3GPP, janvier 2013
  2. a et b LTE Advanced : OFDMA 4glte.over-blog, avril 2012
  3. (en) Hujun Yin and Siavash Alamouti, « OFDMA: A Broadband Wireless Access Technology », IEEE Xplore, IEEE,‎ août 2007, pp. 1–4 (lire en ligne)
  4. a et b (en) OFDM/OFDMA basics tutorial radio-electronics.com, consulté en décembre 2012
  5. [PDF] Cours Supelec sur OFDM /OFDMA, Mérouane Debbah supelec.fr, consulté en janvier 2013

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]