Introduction au contrôle de l'énergie dans le CDMA

Contrairement à la Division du temps Accès multiple (TDMA) ou à la Division des fréquences Accès multiple (FDMA), le CDMA repose sur des codes de diffusion uniques pour distinguer les utilisateurs. Cette conception rend le contrôle de la puissance non seulement une fonction d'optimisation mais aussi une exigence fondamentale pour la stabilité, la capacité et la qualité du réseau. Sans une gestion précise de la puissance, le réseau souffre du problème de proximité, dans lequel un appareil mobile qui transmet avec une puissance excessive peut désensivoir le récepteur de la station de base et noyer les signaux les plus faibles des utilisateurs éloignés.

La direction de la liaison ascendante est particulièrement critique parce que les appareils mobiles ont une capacité de batterie limitée et génèrent des interférences qui affectent tous les autres utilisateurs de la cellule. La direction de la liaison descendante utilise également la commande de la puissance pour gérer les interférences intercellulaires et assurer une répartition équitable des ressources. Cet article fournit une analyse approfondie des mécanismes de contrôle de la puissance utilisés dans les systèmes CDMA, couvrant leurs types, algorithmes, défis et évolution au sein de différentes générations de réseaux.

Le problème quasi-grave et pourquoi le contrôle de la puissance est essentiel

Le problème de proximité est le défi central que la commande de puissance résout. Dans une cellule CDMA, un appareil mobile situé près de la station de base peut produire un signal fort qui masque les signaux les plus faibles des appareils loin. Sans la commande de puissance, la station de base ne serait pas en mesure de décoder les signaux les plus faibles parce que le signal fort envahit la plage dynamique du récepteur et empêche une diffusion correcte. La commande de puissance égalise la puissance reçue de tous les utilisateurs de la station de base, assurant ainsi que chaque utilisateur contribue à une interférence similaire.

Au-delà du problème de proximité, le contrôle de la puissance atténue également les effets de décoloration et d'ombre multipathes. Dans un environnement mobile, la force du signal fluctue en raison des obstacles et des réflexions. Le contrôle de la puissance rapide suit ces fluctuations et les compense, en maintenant une qualité de liaison cohérente.

Types de mécanismes de contrôle de la puissance

Les réseaux CDMA mettent en œuvre plusieurs couches de commande de puissance, chacune fonctionnant à une échelle de temps différente et servant un but distinct. Les deux catégories primaires sont la commande de puissance en boucle ouverte et la commande de puissance en boucle fermée.

Contrôle de puissance en boucle ouverte

La commande de puissance en boucle ouverte est la forme initiale et la plus élémentaire de réglage de la puissance. Elle repose sur l'appareil mobile mesurant la force du signal reçu de la station de base (ou du signal pilote) pour estimer la perte de trajectoire. Le mobile fixe alors sa puissance de transmission initiale inversement proportionnelle à la force du signal reçu mesurée. Par exemple, si le mobile détecte un signal fort de la station de base, il en déduit qu'il est proche de la station de base et transmet à une puissance inférieure.

La commande de la puissance en boucle ouverte est rapide car elle ne nécessite aucun retour de la station de base. Cependant, elle est intrinsèquement inexacte parce qu'elle suppose une perte de chemin symétrique entre la liaison ascendante et la liaison descendante. En réalité, les canaux de liaison ascendante et de liaison descendante connaissent différentes conditions de décoloration, en particulier dans les systèmes de division de fréquence duplex (FDD) où les deux directions utilisent différentes fréquences porteuses.

Contrôle de puissance en boucle fermée

La commande de puissance en boucle fermée est un mécanisme dynamique qui utilise les retours de la station de base pour régler la puissance de transmission mobile. La station de base mesure en permanence le SINR reçu de chaque signal mobile et le compare avec un SINR cible. Si le SINR mesuré tombe sous la cible, la station de base envoie une commande de puissance (généralement une instruction 1 bits); si elle dépasse la cible, une commande de puissance est envoyée. Le mobile répond en ajustant sa puissance en taille d'étape fixe, habituellement 1 dB par commande dans les systèmes IS-95 et cdma2000, ou 0,5 dB à 1 dB dans les systèmes WCDMA.

Dans les systèmes CDMA comme IS-95, le taux de commande est de 800 Hz (tous les 1,25 ms), alors que dans la WCDMA il est de 1500 Hz (tous les 0,667 ms). Ce réglage rapide permet au réseau de compenser la décoloration de Rayleigh, ce qui peut entraîner des variations de signal jusqu'à 30 dB en millisecondes. Le mécanisme de boucle fermée est essentiel pour maintenir la qualité des liaisons pendant le mouvement et dans les environnements multipathes.

Contrôle de puissance de boucle intérieure et de boucle extérieure

La commande de puissance en boucle fermée décrite ci-dessus est souvent appelée boucle intérieure. Elle fonctionne à une échelle de temps rapide et répond aux mesures instantanées du SINR. Cependant, la SINR cible elle-même n'est pas fixée; elle doit être ajustée lentement pour correspondre à la qualité de service requise (QoS) pour chaque connexion.

La boucle externe fonctionne beaucoup plus lentement (généralement de l'ordre de dizaines à des centaines de millisecondes) et surveille le taux d'erreur de cadre (FER) ou le taux d'erreur de bloc (BLER) au récepteur. Si la boucle externe est au-dessus d'un seuil souhaité (p. ex. 1% pour la voix), la boucle externe augmente le SINR cible. Si la FER est inférieure au nécessaire, le SINR cible est diminué. Cela permet à la boucle intérieure de maintenir un SINR juste-suffisant, minimisant la puissance de transmission inutile et réduisant les interférences. La boucle externe assure que le système s'adapte aux conditions changeantes des canaux et aux charges de trafic sans perdre la puissance en marge excédentaire.

Contrôle de l'énergie dans les normes spécifiques du CDMA

Les mises en œuvre de la maîtrise de l'énergie varient selon les normes basées sur l'ADMA, chacune introduisant des améliorations et de nouvelles capacités.

IS-95 (cdmaOne)

IS-95 est la première norme commerciale CDMA, développée par Qualcomm dans les années 1990. Elle utilise une combinaison de commande de la boucle ouverte et de la boucle fermée sur la liaison ascendante. La boucle ouverte fournit la puissance initiale pour la configuration des appels, et la boucle fermée maintient la liaison pendant l'appel. La taille de la boucle fermée est fixée à 1 dB, et les commandes sont envoyées à 800 Hz. La commande de la liaison descendante dans IS-95 est plus simple: la station de base ajuste la puissance de transmission à chaque mobile en fonction de la qualité du cadre signalé par le mobile. Le rapport est envoyé une fois tous les 20 ms dans un cadre.

cdma2000 (3G)

cdma2000, une évolution de IS-95 pour les réseaux de troisième génération (3G), améliore le contrôle de puissance avec des algorithmes plus rapides et plus flexibles. Il prend en charge les tailles variables et les commandes de contrôle additives. Le taux de boucle fermée reste de 800 Hz, mais la taille de l'étape peut être de 0,25 dB à 1 dB selon les conditions de canal.

WCDMA (3G UMTS)

La WCDMA utilise une architecture de contrôle de puissance plus sophistiquée. La liaison ascendante utilise une boucle fermée rapide de 1500 Hz et une taille de pas de 0,5 dB ou 1 dB. La boucle externe ajuste la cible SINR en fonction de BLER. La WCDMA prend également en charge la commande de contrôle de puissance ouverte pour l'accès initial et la commande spéciale de contrôle de puissance -transmit (TPC) , dans le canal de contrôle physique dédié de la liaison descendante. Sur la liaison descendante, la WCDMA utilise un mécanisme de boucle fermée similaire mais avec une fréquence inférieure (environ 100 Hz) parce que la liaison descendante est partagée entre les utilisateurs. De plus, la WCDMA introduit la transmission douce, où un mobile communique simultanément avec plusieurs stations de base. La commande de puissance pendant la transition souple doit se coordonner entre les cellules de réglage actif, exigeant une manipulation spéciale pour éviter les commandes de puissance contradictoires.

CDMA2000 1xEV-DO

Pour les réseaux optimisés par les données, CDMA2000 1xEV-DO (Evolution-Data Optimized) utilise une approche différente de l'accès multiple (temps-division sur la liaison vers l'avant) mais utilise toujours CDMA sur la liaison vers l'envers. Le contrôle de puissance dans EV-DO est similaire à cdma2000 mais avec des fonctionnalités supplémentaires pour le trafic en rupture. Le lien vers l'envers utilise une combinaison de contrôle de boucle ouverte, boucle fermée et boucle externe. La station de base envoie un bits d'activité vers l'envers (RAB) pour réguler l'interférence globale de tous les mobiles, fournissant une forme de contrôle de congestion.

Défis dans la mise en œuvre du contrôle de l'énergie

Malgré la maturité du contrôle de l'énergie du CDMA, plusieurs défis pratiques persistent, qui se manifestent de plus en plus dans les réseaux hétérogènes et les scénarios de forte mobilité.

Défaillance rapide et changement de Doppler

Dans les scénarios de véhicules, les déplacements de Doppler entraînent un changement rapide du canal. La commande en boucle fermée doit fonctionner assez rapidement pour suivre ces changements. Le taux de commande de 1500 Hz dans la WCDMA est suffisant pour des vitesses allant jusqu'à environ 120 km/h, mais à des vitesses plus élevées (p. ex. trains à grande vitesse), les variations de canal dépassent la bande passante de la boucle, ce qui conduit à des commandes de puissance dépassées et à des performances dégradées.

Délai de latence et de rétroaction

Dans la WCDMA, le délai total de boucle est d'environ 0,67 ms (une fente) pour la boucle intérieure. Cependant, dans les systèmes FDD, le délai aller-retour comprend le temps de traitement, la propagation et l'horaire. Tout retard supplémentaire introduit un décalage de phase, ce qui peut rendre la boucle de commande de puissance instable ou inefficace.

Interférences de cellules multiples

Dans un réseau multicellulaire CDMA, les décisions de contrôle de puissance dans une cellule affectent les cellules adjacentes. Un mobile au bord de la cellule peut être commandé pour augmenter la puissance pour satisfaire sa propre qualité de liaison, mais cette puissance accrue augmente l'interférence pour les cellules voisines. La coordination intercellulaire d'interférence (ICIC) devient nécessaire, en particulier dans les déploiements avec un trafic élevé et un spectre limité.

Contrôle de puissance pour les services de données

Les services de données, cependant, ont un trafic effréné et des exigences QoS variables. Le contrôle de la puissance doit s'adapter à différents taux de données et aux retransmissions de requêtes automatiques hybrides (HARQ). Dans de nombreux systèmes modernes CDMA, le contrôle de la puissance est complété par des décisions de contrôle de la vitesse et de programmation.

Conception et étalonnage du récepteur

Les imperfections de l'avant du récepteur, telles que la résolution du convertisseur analogique à numérique (ADC), la dynamique automatique de la prise de courant (AGC) et le bruit de phase, peuvent introduire des erreurs. De plus, l'amplificateur de puissance mobile doit avoir une portée dynamique et une linéarité suffisantes pour répondre aux commandes rapides.

Avantages de la commande robuste de puissance

Lorsqu'il est correctement mis en œuvre, le contrôle de l'alimentation offre des avantages substantiels à l'échelle du réseau et aux utilisateurs finaux.

  • Capacité accrue[ : En minimisant la puissance de transmission de chaque utilisateur, le plancher de brouillage total est réduit. Cela augmente directement le nombre d'utilisateurs simultanés que le réseau peut supporter. Les réseaux CDMA typiques voient une amélioration de capacité de 60 à 80 % par rapport à un scénario sans contrôle de puissance.
  • Extended Battery Life[: Les appareils mobiles ne transmettent que l'énergie nécessaire pour maintenir la liaison. Cela réduit l'écoulement du courant de la batterie, permettant des temps de conversation plus longs et des temps de veille.
  • Amélioration de la qualité et de la couverture des appels[: Un SINR cohérent empêche les appels abandonnés et réduit les erreurs de bits. Le contrôle de l'alimentation compense l'ombrage et la décoloration, permettant des retraits sans soudure et maintenant la clarté vocale même aux bords des cellules.
  • Probabilité de panne réduite[: Dans un réseau avec un contrôle de puissance parfait, la probabilité de panne (le risque qu'un utilisateur ne réponde pas aux exigences du SINR) est beaucoup plus faible, ce qui permet une meilleure expérience utilisateur et une meilleure fiabilité du réseau.
  • Mieux supporter les services mixtes[: Avec le contrôle de la puissance externe, le réseau peut attribuer des cibles SINR différentes pour les services de voix, de vidéo et de données, en veillant à ce que chacun reçoive sa qualité requise sans perdre de ressources.

Tendances adaptatives et futures en matière de contrôle de l'énergie

La technologie sans fil évolue au-delà des concepts 3G et 4G, les concepts de contrôle de puissance de CDMA ont été adaptés et étendus. LTE (Long Term Evolution) utilise OFFMA et SC-FDMA, mais utilise toujours la commande de puissance sur la liaison ascendante (Physical Uplink Shared Channel – PUSCH) en utilisant la commande de puissance fractionnelle pour équilibrer compensation de perte de chemin et interférence.

Dans les systèmes basés sur CDMA toujours en fonctionnement (par exemple, les réseaux ruraux et les anciens), les recherches récentes portent sur les algorithmes d'apprentissage automatique pour le contrôle de la puissance. Les réseaux d'apprentissage et de neurone peuvent prédire les variations de canal et optimiser les ajustements de puissance sans modélisation explicite.Ces approches sont particulièrement utiles dans les réseaux hétérogènes avec des cellules macro, microcellules et femtocells.

Une autre tendance est l'intégration du contrôle de l'énergie avec la collecte d'énergie et les communications vertes.Les stations de base et les mobiles sont de plus en plus conçus pour récolter l'énergie à partir de sources renouvelables, et les algorithmes de contrôle de l'énergie doivent tenir compte de la disponibilité variable de l'énergie.

Conclusion

Depuis le simple réglage initial en boucle ouverte jusqu'à la boucle intérieure à grande vitesse et la boucle extérieure adaptative, ces algorithmes permettent de minimiser les interférences, de maximiser la capacité et de permettre aux utilisateurs de bénéficier d'un service fiable. Les défis de la décoloration, de la latence et de l'interférence intercellulaire demeurent, mais ils ont été relevés grâce à une combinaison d'améliorations standard (comme la mise à disposition souple et les tailles variables des étages) et de technologies de récepteur avancées.

Pour plus de détails sur le contrôle de la puissance CDMA, voir le manuel classique -CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication-de Andrew J. Viterbi, et les spécifications 3GPP pour WCDMA (TS 25.214).