Accès multiple FDMA, TDMA et CDMA : Utilisation efficace de la largeur de bande (1)

1. Technologies essentielles permettant une utilisation efficace de la largeur de bande du signal pour les communications sans fil

Chaque jour, nos smartphones transmettent et reçoivent du son, des images, des vidéos et d'autres données. Alors que de nombreuses personnes utilisent la même bande de signal en même temps, transférant d'énormes quantités de données, nous en sommes venus à penser que c'est tout à fait normal. Cela est possible grâce à des technologies qui évitent les problèmes lors de l'envoi et de la réception de différents types de données, tels que le chevauchement des données ou les interférences dues au bruit. Cet article décrit, à l'aide d'illustrations graphiques, deux de ces technologies visant à permettre une utilisation efficace de la largeur de bande de fréquences (ou bande passante en abrégé) ^*1, c'est-à-dire une utilisation efficace des signaux radio :
- le "multiplexage", qui permet de transférer plusieurs flux de données en même temps, et
- l'"accès multiple", qui utilise la technologie du multiplexage pour permettre des connexions simultanées avec plusieurs utilisateurs.

À noter que l'accès multiple (également appelé "multi-accès") est une technique importante contribuant au système de communication mobile de 5e génération (5G), qui vise à prendre en charge un très grand nombre de connexions simultanées (1 million de connexions par kilomètre carré), y compris des connexions à des "objets" tels que des appareils ménagers et des dispositifs IoT.

*1 Plus la bande de fréquence (largeur de bande) utilisée pour la communication sans fil est large, plus la vitesse de communication des données (vitesse de transmission) est élevée. Nous prévoyons d'expliquer la relation entre la largeur de bande et la vitesse de transmission dans un autre article.

2. Transmission de flux de données multiples par communication sans fil

2.1 Multiplexage : Utilisation efficace d'une seule voie de transmission (air)

Le modèle de base d'un système de communication, qu'il s'agisse d'une communication câblée ou sans ^{fil*2, peut être} représenté comme le montre la figure 1 (Connaissances de base de la communication sans fil : Mécanisme sans fil (1)). Dans ce modèle, le côté émetteur, le chemin de transmission et le côté récepteur sont considérés comme une seule unité, et le flux de données transmis à un moment donné est considéré comme une seule unité. (Si l'expéditeur pouvait envoyer simultanément plusieurs flux de données au destinataire, l'efficacité de l'envoi et de la réception des données s'en trouverait accrue. C'est ce qui a conduit à l'idée de transmettre plusieurs flux de données simultanément sur un seul chemin de transmission. Cette technologie est appelée multiplexage.

*D'une manière générale, la voie de transmission d'un système de communication est soit un câble, soit de l'air, et ces systèmes sont classés en communication câblée ou sans fil en fonction de la voie de transmission utilisée pour la télécommunication.

2.2 Accès multiple : Mise en œuvre de la communication sans fil entre plusieurs utilisateurs sans interférence

Si l'on considère le multiplexage comme l'envoi simultané de plusieurs flux de données, superposés les uns aux autres, on peut dire que les éléments d'émission et de réception n'existent pas pour le multiplexage. Dans le cas des communications sans fil, l'élément "transceiving" (envoi et réception combinés) peut être ajouté au multiplexage pour permettre à plusieurs utilisateurs de partager un seul chemin de transmission afin de transmettre plusieurs flux de données en même temps. C'est ce qu'on appelle l'accès ^multiple*3.

Le tableau 1 montre la relation entre le multiplexage et l'accès multiple. Pour faciliter la comparaison avec l'accès multiple, nous dirons que le multiplexage utilise un côté émetteur et un côté récepteur. En outre, étant donné que le multiplexage comporte plusieurs ^canaux*4 et que l'accès multiple comporte également plusieurs canaux, nous pouvons dire que l'accès multiple est basé sur le multiplexage.

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*Dans les ouvrages et documents relatifs à la communication, ainsi que dans le contenu des sites web, le multiplexage et l'accès multiple sont parfois mentionnés sans distinction, en fonction de ce qui est décrit. Dans le présent article, l'accès multiple est décrit comme une technique qui utilise le multiplexage pour permettre à plusieurs utilisateurs de partager un chemin de transmission pour envoyer et recevoir des données.

*4 Canal : Dans ce contexte, il s'agit simplement d'une route (voie de communication) le long de laquelle circule un signal radioélectrique transportant un seul flux de données. Le terme canal est utilisé dans ce sens pour désigner une ligne de signal. Dans le cas de la communication sans fil, on peut décrire un cas dans lequel 10 formes d'onde de signal différentes sont transmises (transmission multiplexée) comme une voie de communication avec 10 canaux, par exemple.

Dans les communications sans fil proprement dites, les cas où plusieurs utilisateurs d'un système de communication mobile (figure 2) ou d'un système de communication par satellite (figure 3) partagent un chemin de transmission sont plus fréquents que les cas où un chemin de transmission est partagé pour transmettre des données d'un utilisateur à un autre utilisateur, ou d'un utilisateur à plusieurs autres utilisateurs. C'est pourquoi la discussion qui suit se concentre sur le fonctionnement de l'accès multiple. Le multiplexage est expliqué dans< Colonne > Comment fonctionne le multiplexage : FDM, TDM et CDM.

3. Comment fonctionne l'accès multiple : FDMA, TDMA et CDMA

Comme nous l'avons mentionné dans la section précédente, l'accès multiple est une technique qui permet à plusieurs utilisateurs de communiquer sans interférence en partageant des canaux multiplexés.
Les principaux types d'accès multiples, du moins avancé au plus avancé, sont les suivants :
- Accès multiple par répartition en fréquence (FDMA)
- Accès multiple par répartition dans le temps (AMRT)
- Accès multiple par répartition en code (CDMA)
Nous expliquons ci-dessous le fonctionnement de chacun de ces types d'accès multiples, à l'aide de diagrammes conceptuels de chaque type d'accès multiple et de diagrammes conceptuels basés sur la figure 3, en prenant l'exemple de la communication par ^satellite*5.

*5 Les normes récentes de communication sans fil, telles que la communication mobile 4G-LTE ou la communication personnelle Wi-Fi 6/6E et Wi-Fi 7, utilisent un système appelé accès multiple par répartition en fréquence orthogonale (OFDMA) qui est basé sur une technologie de modulation et de multiplexage appelée multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM).Une explication de l'OFDM est omise ici car elle nécessiterait des connaissances de base sur des sujets complexes tels que la multivaluation des données, la modulation d'amplitude en quadrature (QAM) et les propriétés orthogonales des signaux de données sur les spectres de fréquence. Nous prévoyons de couvrir ce sujet dans un autre article.

3.1 Accès multiple par répartition en fréquence (FDMA)

Le FDMA divise les flux de données provenant de plusieurs utilisateurs et les affecte à des canaux utilisant différentes bandes de fréquences, qui partagent tous un seul chemin de transmission (figure 4-1). L'adoption du FDMA a commencé dans les années 1980, et il a été utilisé pour acheminer les appels des téléphones cellulaires et des téléphones de voiture dans le cadre du système de communication mobile analogique de la première génération (1G).

La figure 4-2 présente un schéma conceptuel de l'utilisation de l'AMRC pour les communications par satellite. La figure 4-2 montre un arrangement basé sur la figure 3 dans lequel un côté émetteur (station terrestre E0) et plusieurs côtés récepteurs (stations terrestres E1 à E3) sont utilisés pour transmettre des signaux de données multiplexés.
Le signal de données de la station terrienne E0, composé de flux de données destinés aux stations terriennes E1 à E3, modulés et assignés à différentes fréquences disposées à intervalles égaux dans la largeur de bande prise en charge par le relais satellite, est envoyé de manière à ce que les bandes de fréquences des signaux adjacents ne se chevauchent pas (afin d'éviter les interférences). Lorsque les stations terrestres E1 à E3 reçoivent ces signaux, ils sont divisés en fonction de la fréquence que chaque station peut recevoir, et les flux de données sont extraits.

3.2 Accès multiple par répartition dans le temps (AMRT)

L'AMRT divise les flux de données provenant de plusieurs utilisateurs en intervalles de temps uniformes et les affecte à des canaux, qui partagent tous un chemin de transmission unique (figure 5-1). L'adoption de l'AMRT a commencé dans les années 1990 et a été utilisée pour acheminer les appels téléphoniques mobiles (GSM, PDC, PHS, etc.) dans le cadre du système de communication mobile numérique de deuxième génération (2G).

La figure 5-2 présente un schéma conceptuel de l'utilisation de l'AMRT pour les communications par satellite. Comme dans la section précédente, la figure 5-2 montre un arrangement basé sur la figure 3 dans lequel un côté émetteur (station terrestre E0) et plusieurs côtés récepteurs (stations terrestres E1 à E3) sont utilisés pour transmettre des signaux de données multiplexés.
Le signal de données est envoyé par la station terrienne E0, délimité par des trames temporelles et constitué de "créneaux" utilisés comme canaux, à l'exclusion du signal de salve ^standard*6 intégré dans chaque trame, et chaque canal se voit attribuer l'un des flux de données destinés aux stations terriennes E1 à E3. Ensuite, à chaque station terrestre de E1 à E3, le signal est divisé d'une manière synchronisée avec le temps de transmission de la station terrestre E0, et les flux de données sont extraits^{.*6Notez que} l'AMRT a été adopté pour la communication par satellite en plus de l'AMRF vers 1985.

*6 Pour assurer la stabilité et éviter les interférences avec les communications, le TDMA exige que la vitesse de commutation du canal, etc., soit synchronisée entre le côté émetteur et le côté récepteur. La station terrestre E0 insère un signal appelé "burst" au début de chaque trame pour le contrôle de la synchronisation.

3.3 Accès multiple par répartition en code (AMRC)

L'AMRC génère des signaux dans lesquels les flux de données des utilisateurs sont mélangés avec des codes d'identification uniques, et les signaux de tous les utilisateurs sont superposés dans la même bande de fréquences et acheminés par un seul chemin de transmission (figure 6-1). L'AMRC est utilisé pour acheminer les appels téléphoniques mobiles dans le cadre du système de communication mobile de troisième génération (3G) introduit dans les années 2000.

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La figure 6-2 présente un schéma conceptuel de l'utilisation de l'AMRC pour les communications par satellite. Comme dans la section précédente, la figure 6-2 montre un arrangement basé sur la figure 3 dans lequel un côté émetteur (station terrestre E0) et plusieurs côtés récepteurs (stations terrestres E1 à E3) sont utilisés pour transmettre des signaux de données multiplexés.

La station terrienne E0 mélange les codes d'identification attribués aux stations terriennes E1 à E3 du côté réception avec les signaux de données destinés à chaque station terrienne, générant des signaux avec des bandes de fréquences plus larges que celles des signaux de données originaux, et les additionne pour créer un signal multiplexé qu'elle envoie au relais satellite.
Les stations terrestres E1 à E3 reçoivent chacune les signaux multiplexés du relais satellite, mélangent les codes d'identification des stations terrestres pour diviser les signaux et n'extraient les données que du signal qui correspond à leur propre code d'identification.
Il est à noter que l'adoption de l'AMRC pour les communications par satellite a commencé dans les années 1990.

4. Résumé

Comme nous l'avons vu, l'accès multiple est une technique importante pour la communication sans fil, car il permet à plusieurs utilisateurs de communiquer sans interférence. Nous aimerions maintenant entrer un peu plus dans les détails avant de conclure cet article.
Les schémas d'accès multiple se sont perfectionnés au fil du temps, passant de l'AMFD à l'AMRT puis à l'AMRC, mais il n'est pas exagéré de dire que l'efficacité accrue de l'utilisation des ^{fréquences*7} qui a accompagné ces progrès a été un aspect essentiel du développement des communications sans fil. Par exemple, l'amélioration de l'efficacité d'utilisation des fréquences dans les communications mobiles permet d'augmenter à la fois le nombre d'utilisateurs et le volume global de données pouvant être transmises.
Cet aspect est brièvement abordé dans cet article, mais le schéma d'accès multiple utilisé par la 4G, le système de communications mobiles le plus répandu actuellement, est l'accès multiple par répartition en fréquence orthogonale (OFDMA), qui est censé fournir une efficacité d'utilisation des fréquences deux fois supérieure à celle de la 3G utilisant l'AMRC. La 5G utilise quant à elle l'accès multiple non orthogonal (NOMA), qui offre une efficacité d'utilisation des fréquences encore meilleure que l'OFDMA.
En résumé, l'accès multiple, qui a progressé dans le but d'accroître l'efficacité de l'utilisation des fréquences, peut être considéré comme indispensable aux développements futurs de la communication sans fil ainsi qu'à son adoption élargie.

*7 Efficacité d'utilisation des fréquences : Dans ce contexte, il s'agit simplement de la vitesse de transmission des données (en unités de bits par seconde (bps)/Hz) par unité de largeur de bande. Il convient de noter que l'efficacité d'utilisation des fréquences est parfois appelée efficacité spectrale ou efficacité de la largeur de bande.

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