Quelles sont les techniques d'accès multiples?

Les techniques d'accès multiples constituent l'épine dorsale des systèmes de communication sans fil et filaires modernes. Elles permettent à de multiples utilisateurs ou appareils de partager une ressource de communication finie, telle qu'une bande de radiofréquences ou une ligne de transmission filaire, sans interférences destructrices.

Dans les termes les plus simples, une technique d'accès multiple définit la répartition du support partagé entre les concurrents. La division peut se produire dans le domaine de fréquence, le domaine temporel, le domaine de code, le domaine spatial ou toute combinaison de ces deux domaines. Chaque domaine produit une famille de protocoles distincts, de la division de fréquence classique Multiple Access (FDMA) à la NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) de pointe utilisée dans la 5G Nouvelle Radio.

Types principaux de techniques d'accès multiples

Bien qu'il existe de nombreuses méthodes d'accès exclusive et hybride, la plupart des systèmes modernes comptent sur une poignée de familles bien établies. Comprendre leurs mécanismes, leurs avantages et leurs compromis est essentiel pour tout ingénieur de réseau ou architecte de système.

Division de fréquence Accès multiple (FDMA)

La bande de fréquences disponible est divisée en sous-bandes plus étroites, chacune étant attribuée à un seul utilisateur pour la durée d'un appel ou d'une session. L'émetteur utilisateur occupe cette sous-bande en continu, tandis que les récepteurs utilisent des filtres de passe-bande pour isoler le signal désiré. La FDMA est utilisée dans des systèmes analogiques tels que AMPS (Advanced Mobile Phone System) et est toujours présente dans les liaisons satellite numériques et certains canaux Wi-Fi.

Le principal avantage de la FDMA est sa faible complexité et son interférence minimale entre les utilisateurs lorsque les bandes de garde sont suffisantes. Cependant, elle souffre d'une mauvaise efficacité spectrale si les utilisateurs sont inactifs, car la bande passante attribuée ne peut pas être réutilisée par d'autres pendant les périodes de silence. De plus, une planification stricte de la fréquence est nécessaire pour éviter les interférences de canaux adjacents, qui gaspillent le spectre sur les bandes de garde.

Accès multiple à la division de temps (TDMA)

La TDMA divise le canal en cadres répétitifs, chacun subdivisé en créneaux horaires. Chaque utilisateur obtient un créneau exclusif pour transmettre ses données. Cette technique est fondamentale pour le Système Global pour les Communications Mobiles (GSM), les systèmes satellites comme Iridium, et de nombreuses normes radio industrielles.

TDMA améliore l'utilisation de la bande passante par rapport à la FDMA pure, car un canal de fréquence unique peut supporter plusieurs utilisateurs. Il simplifie également la programmation numérique et permet une attribution flexible des durées des fentes. Cependant, TDMA nécessite une synchronisation étroite entre tous les utilisateurs pour éviter les chevauchements de transmissions, et les temps de garde entre les fentes consomment des frais généraux.

Division de code Accès multiple (CDMA)

CDMA représente un changement de paradigme : au lieu de séparer les utilisateurs en fréquence ou en temps, il permet à tous les utilisateurs de transmettre simultanément sur toute la bande spectrale, mais chaque signal utilisateur est encodé avec un code de diffusion unique. Dans le récepteur, le signal désiré est récupéré en corrélant avec le code correspondant, tandis que les signaux avec différents codes apparaissent comme bruit de bas niveau. CDMA est la base des normes IS-95 (cdmaOne) et UMTS 3G.

Les principaux avantages de CDMA sont la résistance à la décoloration multipathe, la sécurité inhérente (puisque les codes sont pseudo-randomes) et la capacité de supporter les transferts mous. Il fournit également une dégradation gracieuse naturelle: comme plus d'utilisateurs se joignent, le plancher de bruit monte et chaque utilisateur diminue lentement le rapport signal-bruit (SNR) plutôt que la limite de capacité. Le principal inconvénient est la nécessité d'un contrôle précis de la puissance; sinon, un utilisateur voisin peut submerger un problème distant (problème -assez-far).

Division de fréquence orthogonale Accès multiple (ODDMA)

OFMA est une version multi-utilisateurs de Multiplexage de la Division de Fréquence Orthogonale (OFDM). Le canal large bande est divisé en plusieurs sous-porteurs orthogonaux. Les sous-porteurs de ces sous-porteurs sont répartis entre différents utilisateurs, souvent adaptativement par intervalle de temps de transmission. Cette technique est le noyau des couches physiques 4G LTE et 5G NR. OFMA combine les avantages de la FDMA (séparation fréquence-domaine) avec la flexibilité de la TDMA (planification temps-domaine).

OFMA excelle dans la manipulation de la décoloration sélective de la fréquence : en attribuant des sous-transporteurs qui connaissent des conditions de canal favorables à chaque utilisateur, le programmeur peut obtenir un débit presque optimal. Il supporte également des blocs de ressources à grain fin, permettant une allocation très efficace pour le trafic en rupture. Les coûts principaux sont la nécessité de préfixes cycliques pour combattre l'interférence intersymbole, la sensibilité à la fréquence du transporteur offset, et le rapport de puissance de pointe à moyenne (PAPR), qui impose des exigences à la linéarité de l'amplificateur.

Division spatiale Accès multiple (SDMA)

Avec l'avènement de multiples réseaux d'antennes (MIMO), l'accès multiple à la division spatiale est devenu pratique. SDMA exploite la dimension spatiale en utilisant des faisceaux formant des faisceaux individuels pour diriger les faisceaux individuels vers différents utilisateurs. Plusieurs utilisateurs peuvent être servis sur la même ressource de fréquence temporelle, pourvu que leurs signatures spatiales soient suffisamment séparables. SDMA est un catalyseur clé pour le MIMO massif dans les stations de base 5G, où des dizaines ou des centaines d'éléments d'antenne permettent une mise au point précise de l'énergie.

Le gain de capacité de SDMA est multiplicatif : avec une connaissance parfaite du canal, le taux de somme peut augmenter linéairement avec le nombre d'antennes. Cependant, SDMA nécessite des informations précises sur l'état du canal à l'émetteur (CSIT), ce qui est difficile à obtenir à des vitesses d'utilisation élevées.

Facteurs qui déterminent l'efficacité des voies

L'efficacité des canaux n'est pas une mesure unique; elle englobe l'efficacité spectrale (bits par seconde par hertz), l'efficacité énergétique (bits par joule), la latence, l'équité entre les utilisateurs et la capacité de soutenir divers modèles de trafic.

  • Granularité des ressources de la largeur de bande : Les techniques qui permettent l'allocation des ressources à grains fins (comme les blocs de ressources OFDMA) peuvent servir de nombreux dispositifs IoT à faible taux de données sans perte de capacité.
  • Intervalles de garde et de surentête :[ Chaque système d'accès multiple introduit une forme de bandes de garde en FDMA, de temps de garde en TDMA, de préfixes cycliques en ODDMA ou de synchronisation de code dans CDMA.
  • La résilience multipathale et la perte de résistance:[ CDMA et OFDMA sont intrinsèquement robustes contre les multipathes, bien que par différents mécanismes. La FDMA et la TDMA peuvent souffrir de fade profonde sur toute une sous-bande ou fente, nécessitant des techniques d'adaptation ou de diversité des liens.
  • Gestion de l'interférence:[ Dans les réseaux cellulaires, les cellules voisines réutilisent les fréquences. Plusieurs techniques d'accès interagissent avec la coordination intercellulaire de l'interférence (ICIC). OFDMA permet la réutilisation fractionnelle de la fréquence, tandis que CDMA repose sur la transmission douce et le contrôle de puissance.
  • L'évolutivité vers une connectivité massive:[ Pour les scénarios IdO avec des millions d'appareils, les frais de signalisation pour l'horaire (p. ex., dans TDMA) deviennent prohibitifs.

Mise en œuvre de l'accès multiple pour une efficacité maximale : stratégies pratiques

Dans les réseaux du monde réel, aucune technique d'accès multiple unique n'est universellement optimale. Les ingénieurs combinent plusieurs techniques et les augmentent avec des algorithmes de planification avancés pour créer un système robuste et efficace.

Systèmes d'accès hybrides

Les normes cellulaires les plus réussies sont les hybrides. LTE utilise ODDMA sur la liaison descendante et SC-FDMA (Single-Carrier FDMA) sur la liaison ascendante pour réduire le PAPR. Au sein de l'ODDMA, les blocs de ressources sont divisés en temps (chacun 1 ms sous-cadre) et en fréquence (12 sous-porteurs par bloc), combinant efficacement FDMA et TDMA. CDMA a également été utilisé en combinaison avec TDMA dans les premières normes 3G (par exemple, WCDMA inclut des créneaux horaires par code).

Allocation de ressources adaptatives

Les systèmes modernes utilisent des planificateurs dynamiques qui attribuent des ressources spatiales en temps et fréquence en fonction des conditions instantanées des canaux, des files d'attente du trafic et des exigences de qualité de service (QoS). Par exemple, le planificateur LTE met à jour les affectations de blocs de ressources tous les 1 ms, en utilisant des indicateurs de qualité des canaux signalés par l'équipement utilisateur. De même, 5G NR prend en charge les mini-planifications pour les communications ultra-fiables à faible latence (URLLC).

Gestion coordonnée des points multiples (CdP) et des interférences

Même le meilleur système d'accès multiple ne peut résoudre seul l'interférence intercellulaire. Les techniques CoMP coordonnent les transmissions entre plusieurs stations de base de sorte que les signaux des cellules voisines renforcent le signal désiré (transmission conjointe) ou évitent les collisions (évitement d'interférence). Ceci est particulièrement efficace dans les systèmes OFMA, où l'interférence peut être alignée dans le temps et la fréquence.

Partage du spectre et radio cognitive

Dans le spectre non autorisé (par exemple, Wi-Fi, Bluetooth), des protocoles basés sur des arguments comme l'accès multiple aux services de communication avec évitement de collision (CSMA/CA) sont utilisés. Ce ne sont pas des techniques d'accès déterministes traditionnelles, mais relèvent du partage des canaux. La radio cognitive étend cette idée en permettant aux utilisateurs secondaires d'accéder opportunistement aux trous du spectre sans nuire aux utilisateurs primaires.

Techniques d'accès avancées et futures

À mesure que les réseaux sans fil évoluent vers la 6G et au-delà, les chercheurs explorent de nouveaux paradigmes d'accès multiples qui brisent la contrainte orthogonale et font progresser l'efficacité.

Accès multiple non orthogonal (NOMA)

La NOMA permet délibérément à plusieurs utilisateurs de partager la même ressource de fréquence temporelle avec différents niveaux de puissance. Le récepteur effectue l'annulation successive d'interférence (SIC) pour décoder le signal plus fort d'abord, le soustraire, puis décoder le plus faible. Cela peut fournir des gains de capacité importants, en particulier dans les scénarios de centre cellulaire et de bord cellulaire.

Accès multiple au code sans subvention et au code spar (SCMA)

Pour les communications massives de type machine (mMTC), l'accès traditionnel par subvention (demander une ressource, attendre une subvention, puis transmettre) crée trop de frais généraux. Les schémas sans subvention permettent aux appareils de transmettre des données immédiatement en utilisant des ressources préconfigurées. SCMA est une forme de code-domaine NOMA où les utilisateurs mapper leurs bits sur des codes clairs; le récepteur utilise des algorithmes de transmission de messages pour séparer les signaux superposés. Cette technique peut supporter une surcharge élevée (plus active que les éléments de ressource) tout en maintenant une faible latence.

Accès multiple à répartition tarifaire (RSMA)

RSMA est une proposition plus récente qui généralise l'accès multiple conventionnel en divisant chaque message utilisateur en parties communes et privées. La partie commune est décodée par tous les utilisateurs, tandis que la partie privée est décodée uniquement par le destinataire prévu. Cette approche offre une robustesse sous une connaissance imparfaite du canal et peut surperformer la NOMA dans des scénarios limités par interférence. RSMA est activement recherché pour les communications 6G et satellite.

Applications du monde réel dans toutes les industries

Les techniques d'accès multiples ne se limitent pas aux téléphones mobiles. Leurs principes sont appliqués à travers un large éventail de technologies, chacune avec des objectifs d'optimisation uniques.

  • Réseaux cellulaires (4G/5G):[ OFDMA + FDMA + TDMA + SDMA (MIMO massif). Les schémas hybrides fournissent une efficacité spectrale élevée, une faible latence et un support pour l'IoT massif.
  • Wi-Fi (IEEE 802.11ax/be):[ODDMA a été introduit dans le Wi-Fi 6 pour améliorer l'efficacité des déploiements denses, remplaçant l'accès à base de conflit CSMA/CA plus ancien. Wi-Fi 7 étend ce système avec un fonctionnement multi-liens et des largeurs de bande plus grandes.
  • Communications par satellite: DVB-S2X et DVB-RCS2 utilisent MF-TDMA (TDMA multifréquences) pour les liaisons de retour, combinant fréquence et division du temps.
  • Les réseaux industriels IoT et les capteurs:[ TSCH (Time-Slotted Channel Hopping) dans l'IEEE 802.15.4e utilise TDMA combiné avec le saut de fréquence pour la fiabilité dans des environnements industriels difficiles. LoRaWAN utilise l'accès aléatoire comme Aloha avec spectre de propagation (spectre de propagation de chirp, une forme de CDMA).
  • Radioastronomie et radar:[ Dans les bandes de fréquences partagées, l'accès multiple cognitif assure que les radiotélescopes peuvent observer sans interférence préjudiciable des signaux de communication.

Conclusion

La conception de réseaux à grande échelle est un défi multidimensionnel qui touche presque toutes les couches de la conception du réseau. De la FDMA et de la TDMA classiques aux systèmes OFFMA, NOMA et SDMA sophistiqués d'aujourd'hui, chaque technique offre des compromis uniques en termes de complexité, de tolérance aux interférences et de granularité des ressources. La mise en œuvre réussie repose rarement sur une seule méthode; au contraire, les ingénieurs combinent et adaptent ces systèmes aux exigences de trafic, d'environnement de propagation et de qualité de service de l'application cible.

Pour plus de détails, consultez la série de spécifications 3GPP sur les procédures de couches physiques (TS 38.214 pour NR) ou les articles de l'IEEE sur les enquêtes et les études de communication sur la NOMA et la RSMA. Le rapport de l'UIT-R M.2375-0 sur la faisabilité technique de l'IMT-2020 offre également un aperçu faisant autorité des multiples exigences d'accès pour les systèmes mobiles avancés.