Brevet FR2814301A1 — publié le 20020322

Synchronisation d'un signal AMRF. Le domaine de l'invention est celui des systèmes de communication mettant en oeuvre des accès multiples par répartition en fréquence (AMRF). Plus précisément, l'invention concerne de tels systèmes dans lesquels des fréquences porteuses émises par plusieurs terminaux (ou, plus généralement, stations émettrices) sont reçues et traitées sous la forme d'un signal unique (multiplex de fréquences porteuses) dans une station de base (ou, plus généralement, station réceptrice). Un système mettant en oeuvre cette technique est par exemple décrit dans la demande de brevet FR-93 10339. Dans ce système, plusieurs terminaux (appelés stations réparties) se voient affecter une ou plusieurs fréquences porteuses, choisies parmi une pluralité de fréquences porteuses. Ces fréquences porteuses sont modulées indépendamment dans chaque terminal, et émises de manière synchronisée. On obtient ainsi, vu d'une station de base (appelée station centrale), un multiplex de fréquences porteuses orthogonales, qui peut être traité comme un signal unique, en effectuant une seule opération de démodulation, mettant en oeuvre notamment une transformation mathématique (une FFT par exemple). Cette technique s'avère particulièrement avantageuse, car chaque terminal n'émet qu'une ou qu'un petit nombre de fréquences porteuses. Ainsi, leur réalisation est relativement simple, et la puissance nécessaire est limitée. De même, la station de base reste relativement simple, car elle ne reçoit qu'un unique signal. Un domaine particulier de l'invention est celui de la télévision numérique, dans les systèmes prévoyant une voie de retour des récepteurs de télévision vers l'émetteur du signal de télévision. les voies de retour sont connues depuis longtemps, notamment dans le cadre des réseaux de télévision câblés. Elles peuvent être utilisées en particulier pour transmettre des données permettant une interactivité entre l'utilisateur du récepteur et le programme émis (participation à des jeux ou des sondages par exemple). L'invention peut être appliquée sur toutes les voies de retour (câble, voie hertzienne) basées sur un système AMRF, pour des émetteurs fixes, portables ou mobiles. Plus généralement, l'invention est applicable dans tous les cas o une communication AMRF est mise en oeuvre, que celle-ci soit une transmission multipoint à point ou point à point, qu'elle soit ou non symétrique. Ainsi, par exemple, l'invention peut également être mise en oeuvre dans des réseaux locaux reliant une pluralité de stations, chacun d'entre eux jouant le rôle de terminal selon la définition ci-dessus, pour émettre, et de station de base, toujours selon la définition ci-dessus, en réception. Le système décrit dans la demande de brevet FR-93 10339 déjà citée présente toutefois un inconvénient, à savoir celui de la synchronisation temporelle des différents terminaux. On conçoit en effet aisément que les temps de propagation des terminaux vers la station de base (et inversement) sont différents, en fonction de la distance les séparant. Si tous les terminaux se synchronisent sur un signal de synchronisation, diffusé par la station de base, et émettent sans précaution supplémentaire, la station de base ne recevra pas un signal unique cohérent, et ne pourra pas assurer la démodulation de toutes les fréquences porteuses. Pour pallier cet inconvénient, on prévoit un asservissement par une boucle de contre-réaction effectué émetteur par émetteur: la station de base mesure le décalage temporel du signal reçu depuis chaque émetteur et envoie ce décalage, ou une information équivalente à l'émetteur. Ce dernier réajuste son instant d'émission en conséquence, et ainsi de suite jusqu'à obtention d'une bonne compensation des délais de propagation aller/retour entre la station de base et l'émetteur. Cette méthode présente cependant plusieurs inconvénients. Tout d'abord, elle conduit à une augmentation de la complexité de chaque terminal d'émission, alors qu'il est souhaitable, dans de nombreuses applications telles que les voies de retour, qu'il soit le plus simple et le moins coûteux possible. De même, le récepteur de la station de base est rendu plus complexe, puisqu'il doit gérer le traitement des décalages. Le délai nécessaire à cette procédure d'asservissement par contreréaction est encore un autre inconvénient. En particulier, cette méthode est pratiquement incompatible avec des terminaux mobiles, la procédure devant alors être réitérée de façon quasi permanente. Une autre solution au problème de la synchronisation temporelle est proposée dans la demande de brevet FR-96 10670. Selon cette approche, la station de base comprend au moins deux chaînes de démodulation parallèles, chacune desdites chaînes de démodulation appliquant notamment sur ledit signal AMRF: - une fenêtre temporelle de réception de symbole débutant avec un retard de chaîne supérieur ou égal à zéro, par rapport à une référence de synchronisation, lesdits retards de chaîne étant tous différents; et préférentiellement, - un filtrage multiporteuse de Nyquist. Ainsi, selon l'invention, on n'impose pas une synchronisation très précise des terminaux. C'est à la réception que l'on assure une démodulation sélective, en fonction des retards de propagation. Plus précisément, le signal reçu est considéré, dans son ensemble, avec plusieurs (au moins deux) retards différents. Chaque fréquence porteuse peut donc ainsi, quelque soit son retard, être démodulée correctement dans l'une ou l'autre des chaînes de démodulation. Un inconvénient de cette technique est que, bien sûr, elle rend plus complexe le traitement à effectuer dans la station de base. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir une technique mettant en oeuvre une démodulation efficace et à faible coût d'un signal multiporteuses AMRF constitué par la contribution de plusieurs terminaux distants, qui permettent de s'affranchir d'un asservissement temporel par contre-réaction (synchronisation) entre les terminaux et la station de base. Ainsi, un objectif de l'invention est de fournir une telle technique, qui ne nécessite pas de moyens et de traitements complexes dans les terminaux, de façon que ceux-ci restent simples et peu coûteux. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir une telle technique, qui puisse être mis en oeuvre sur tout type de canal de transmission (câble, transmission hertzienne,....), et pour tout type de terminaux, qu'ils soient fixes, portables ou mobiles. Ces objectifs ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un signal AMRF, formé d'un multiplex de fréquences porteuses émises par au moins deux terminaux distincts et destinées à être traitées sous la forme d'un signal unique dans une station de base. Selon l'invention, ce signal porte des informations de synchronisation temporelle comprenant, pour au moins certains desdits terminaux, une valeur déterministe de phase émise simultanément et en continu sur au moins deux desdites fréquences porteuses, pendant une durée prédéterminée. Préférentiellement, ladite durée prédéterminée est au moins égale à l'un des trois étalements suivants ou à une de leurs combinaisons: I'étalement maximal du délai de propagation aller des signaux entre ladite station de base et lesdits terminaux; - l'étalement maximal du délai de propagation retour des signaux entre lesdits terminaux et ladite station de base; - la latence interne maximale desdits terminaux. Ladite durée peut notamment se définir sous la forme (Ns+l)Ts, o - Ts est la durée d'un symbole dudit signal; - Ns est le nombre maximal de symboles correspondant à l'un desdits étalements ou à l'une de leurs combinaisons. De façon avantageuse, ledit signal comprend, avant et/ou après ladite valeur déterministe, sur la fréquence porteuse concernée, au moins un symbole nul. Préférentiellement, il comprend au moins Ns+1 symboles nuls avant et/ou après ladite valeur déterministe. Selon un aspect avantageux de l'invention, les fréquences porteuses portant lesdites valeurs déterministes appartiennent à une plage cohérente du canal de transmission dans lequel ledit signal est transmis. Notamment, lesdites fréquences porteuses portant lesdites valeurs déterministes peuvent avantageusement être adjacentes. Le signal de l'invention peut notamment être modulé selon la technique OFDMA ou la technique SFDMA. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdites porteuses portent, simultanément à ladite valeur déterministe de phase, des données utiles, sous la forme d'une modulation conservant les propriétés de phase et de mise en forme nécessaires à la synchronisation. L'invention concerne également les stations de base prévues pour recevoir un signal tel que présenté ci-dessus. Cette station de base comprend avantageusement des moyens de calcul d'une information représentative d'un retard (éventuellement positif, négatif ou nul) à appliquer par chacun desdits terminaux, à partir d'une analyse desdites valeurs déterministes telles que reçues par ladite station de base, et des moyens de transmission de ladite information représentative d'un retard vers le terminal correspondant. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, lesdits moyens de calcul déterminent la différence de phase entre les fréquences porteuses portant ladite valeur déterministe, et y associe ladite information représentative d'un retard. Avantageusement, l'association à ladite différence de phase à ladite information représentative d'un retard est réalisé à l'aide d'une table de concordance stockée en mémoire. Ladite information représentative d'un retard peut par exemple comprendre une valeur angulaire de phase et/ou un retard temporel. Préférentiellement, la station de base comprend des moyens de levée de l'ambiguïté due à la périodicité de la fonction considérée, par analyse de transitions entre lesdites valeurs déterministes et le symbole nul précédant et/ou suivant entre lesdites valeurs déterministes. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, la station de base comprend des moyens d'émission préalable, vers lesdits terminaux, d'une référence de temps. L'invention concerne encore les terminaux d'un système d'accès multiples, comprenant des moyens de modulation et de transmission d'au moins deux fréquences porteuses d'un signal tel que présenté ci-dessus. L'invention concerne également les systèmes d'accès multiples permettant la transmission de données entre une pluralités de terminaux et une station de base, dans lesquels lesdits terminaux et ladite station de base sont conçus pour respectivement générer et recevoir un signal décrit ci-dessus, ainsi que le procédé de synchronisation d'au moins deux terminaux distincts d'un système d'accès multiples, produisant un signal traité comme un tout dans une station de base. Ce procédé comprend notamment une étape d'émission, par lesdits terminaux, et de réception, par ladite station de base, d'un signal tel que présenté ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 présente l'environnement spatial station de base-terminaux- usager dans un système d'accès multiple selon l'invention; - la figure 2 illustre l'espace temps-fréquence d'un récepteur d'un système AMRF tel que présenté en figure 1; - le figure 3 est un exemple de signal comprenant des informations de synchronisation temporelle selon l'invention; - le figure 4 illustre la réception, dans une station de base, de deux signaux tels qu'illustrés en figure 3. L'invention concerne donc la réception d'un signal AMRF formé d'un multiplex de fréquences porteuses émises par plusieurs terminaux. Comme déjà indiqué, l'invention peut s'appliquer à tous types de canal de transmission, et à tous types de stations émettrices et/ou réceptrices. L'exemple décrit par la suite concerne plus précisément, mais non limitativement, la réalisation d'une voie de retour. Un tel système comprend une pluralité de terminaux distants, ou stations esclaves, qui émettent vers une station de base. Cette technique permet la réalisation de stations esclaves à faible coût, chacune d'entre elles assurant la modulation et l'émission d'une porteuse à faible débit (il est bien sûr également possible que chaque station esclave module plusieurs fréquences porteuses). En général, les stations esclaves sont répartis sur une zone de service autour de de la station de base, à des distances terminal-station de base Di (avec Di synchronisation temporelle. La technique de l'invention a donc pour objet d'évaluer la distance entre un terminal-usager et une station de base afin de lui permettre d'ajuster sa synchronisation temporelle et au final de synchroniser l'ensemble des signaux reçus sur la station de base. Ainsi, l'invention permet d'estimer une erreur de synchronisation temporelle d'un terminal-usager comprise dans l'intervalle [0, Ns.Ts] dans un environnement d'accès multiple AMRT, et par exemple OFDMA ou SFDMA (en anglais "Orthogonal Frequency Division Multiple Access", "Synchronous Frequency Division Multiple Access") Avec: T,= t, + A, durée du symbole de modulation dans un système d'accès multiple de type OFDMA, avec ts la partie utile du symbole de modulation, A son intervalle de garde Ou Ts= (l+rolloff)/C, durée du symbole de modulation dans un système d'accès multiple de type SFDMA, avec Cs l'écart interporteuse égal à 1/ ts, roll-off, le facteur de "roll-off" du filtrage de la modulation dans un système d'accès multiple de type SFDMA, Et: Ns le nombre maximal de symboles de modulation, représentant l'étalement maximal des synchronisations reçues sur la station de base que l'on veut couvrir. Dans un mode de réalisation particulier, cet étalement doit supporter l'étalement maximal des délais de propagation aller-retour entre la station de base et les différents terminaux de la zone de service, ainsi que l'étalement de leurs latences internes. Dans d'autres cas, par exemple lorsque la référence de synchronisation est délivrée par une voie satellite ou par une autre station que la station de base, on peut ne considérer que la latence d'un seul sens de propagation. On se place par la suite dans le premier cas évoqué ci-dessus. Comme cela est illustré en figure 1, on prévoit donc tout d'abord, la diffusion depuis la station de base d'une référence temporelle pour permettre aux terminaux- usager de se synchroniser dans un premier temps en aveugle, c'est à dire sans préjuger des différents retards de propagation ou de traitement interne qui altèrent l'homogénéité des synchronisations. Le signal de synchronisation temporelle émis par un terminal d'émission de l'usager est illustré en figure 3. Il repose sur l'émission depuis le terminal de l'usager d'un signal composé au moins de deux porteuses adjacentes, déphasées à l'origine d'une valeur déterministe puis continues sur une durée de (Ns+l) symboles Ts. Le déphasage déterministe entre ces deux porteuses d'ordre ( k+l) et (k) est noté: Aqinit= 4k+1 - 4k La justification mathématique correspondante est présentée en annexe. L'émission de ces porteuses continues doit préférentiellement être précédée d'au moins une durée symbole Ts sans émission (1 Symbole Nul)et suivie d'une durée d'au moins (Ns+1) symboles sans émission (Ns+l Symboles Nuls). L'emplacement des porteuses de synchronisation temporelle est défini par les règles d'allocation des porteuses dans le multiplex O/SFDMA - il peut éventuellement être choisi aléatoirement parmi un jeu de couples de porteuses réservés à cette fin. Le mécanisme correspondant de réception du signal de synchronisation en station de base est illustré par la figure 4, dans le cas de la réception des signaux de synchronisation, émanant ici de deux terminaux différents. En réception, la différence de phase supplémentaire entre les deux porteuses émises, Aq'extra, mesurée à l'instant T', choisi de manière optimale tel qu'il permet de recevoir et de démoduler simultanément l'ensemble des différents signaux de synchronisation (par FFT, par exemple), est directement proportionnelle à la durée At écoulée depuis la réception de l'origine T'O,,usagcr (transition Symbole Nul -> Porteuse continûment émise) du signal de synchronisation temporelle et donc fonction linéaire ( à une ambiguïté près venant de la périodicité de cette fonction) à la somme des retards provenant à la fois du temps de propagation aller-retour entre la station de base et le terminal-usager et les retards internes du terminal. A4'extra= ók+ '- 4k '- Ainit= 4k+l '- 4k '- ( 4k+l - 4k) 2t At /t, A l'ambiguïté près, une table associant en entrée l'expression complexe de la variation de phase (après multiplication par exemple du signal reçu porté par la porteuse k+1 par le conjugué de celui de la porteuse k) et en sortie la valeur angulaire de la phase et/ou de At autorise une mise en oeuvre peu complexe de cette mesure. L'ambiguïté à lever est +/- n. t,. Dans le cas o les porteuses ne seraient pas adjacentes (porteuses k et k+ K), on aurait: A4'extra= 4k+K '- 4k '- Aqinit= 4kl '- 4k '- (k+ - ( k)= 2r KAt /t, Dans ce cas, l'ambiguïté à lever est +/- n. t /K. Le mécanisme pour la lever inclut une mesure des puissances reçues par FFT successives, décalées de Ts, afin de détecter une transition grossière Symbole Nul-> Porteuse modulée puis Porteuse Modulée->Symbole Nul. Si nécessaire, le même signal de synchronisation doit être retransmis plusieurs fois afin de réduire le bruit de mesure. Enfin, pour compléter le mécanisme de synchronisation temporelle, une signalisation de recadrage des synchros individuelles des terminaux doit redescendre par le biais d'un canal descendant. La même méthode de génération de signal peut être élargie par l'émission de séquences de signaux (consécutivement sur l'axe des temps ou simultanément sur des porteuses adjacentes) en introduisant une modulation (différentielle ou cohérente) afin de transmettre des données; cela à des fins d'amélioration de la technique de synchronisation ( par identification par exemple de l'usager) ou de transmission de données sans recherche d'ajustement des synchronisations ni d'efficacité spectrale. L'invention propose donc notamment: 1) La définition du signal de synchronisation et l'adaptation de sa longueur aux 1l contraintes du système d'accès multiple 2) L'émission d'un signal de synchronisation sur des porteuses adjacentes afin de se placer dans un environnement de canal "cohérent" d'une porteuse à l'autre; 3) Le moyen de lever l'ambiguïté de la mesure par la détection des transitions symbole Nul porteuse modulée; 4) Une synchronisation optimisée; ) La transmission de données malgré les disparités dans les délais de propagation et de traitement en cherchant un ajustement temporel ou non; 6) La réalisation concrète de la mesure en station de base, à partir d'une table d'association entre la valeur complexe de la rotation entre les deux porteuses adjacentes et la valeur angulaire ou son équivalent en temps. ANNEXE 1. rappel: propriété des transformées de Laplace translation de l'axe du temps 4f(t - a)] = eL[ff(t)] s = j2.nf 2. application à l'invention Pour chacune des deux porteuses considérées, on a: L[e2ik',, (t+a)]=e2j'kai, 4L[e2jk/t,] 4e2,(k+1), (t+a)] = e2jiT(ka+a),L[e2j,7(k+1)/,] La différence des rotations de phase supplémentaires entraînées par le retard (+/-) s'exprime par la valeur complexe: e'Ao, = e2J(ka+a)/t, * e-2j:ka/ t, = e2j'/ t, De cette valeur on extrait la partie réelle Re(.) et la partie imaginaire Im(.), qui alimente une table, dont la sortie délivre par exemple At, le retard à appliquer pour le terminal considéré. REVENDICATIONS 1. Signal AMRF, formé d'un multiplex de fréquences porteuses émises par au moins deux terminaux distincts et destinées à être traitées sous la forme d'un signal unique dans une station de base, caractérisé en ce qu'il porte des informations de synchronisation temporelle comprenant, pour au moins certains desdits terminaux, une valeur déterministe de phase émise simultanément et en continu sur au moins deux desdites fréquences porteuses, pendant une durée prédéterminée. 2. Signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite durée prédéterminée est au moins égale à l'un des trois étalements suivants ou à une de leurs combinaisons: - l'étalement maximal du délai de propagation aller des signaux entre ladite station de base et lesdits terminaux; l'étalement maximal du délai de propagation retour des signaux entre lesdits terminaux et ladite station de base; - la latence interne maximale desdits terminaux. 3. Signal selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite durée vaut (Ns+Il)Ts, o: - Ts est la durée d'un symbole dudit signal; - Ns est le nombre maximal de symboles correspondant à l'un desdits étalements ou à l'une de leurs combinaisons. 4. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend, avant et/ou après ladite valeur déterministe, sur la fréquence porteuse concernée, au moins un symbole nul. 5. Signal selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins Ns+l symboles nuls avant et/ou après ladite valeur déterministe. 6. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fréquences porteuses portant lesdites valeurs déterministes appartiennent à une plage cohérente du canal de transmission dans lequel ledit signal est transmis. 7. Signal selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites fréquences porteuses portant lesdites valeurs déterministes sont adjacentes. 8. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est modulé selon la technique OFDMA ou la technique SFDMA. 9. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites porteuses portent, simultanément à ladite valeur déterministe de phase, des données utiles, sous la forme d'une modulation conservant les propriétés de phase et de mise en forme nécessaires à la synchronisation. 10. Station de base prévue pour recevoir un signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de calcul d'une information représentative d'un retard (éventuellement positif, négatif ou nul) à appliquer par chacun desdits terminaux, à partir d'une analyse desdites valeurs déterministes telles que reçues par ladite station de base, et des moyens de transmission de ladite information représentative d'un retard vers le terminal correspondant. 11. Station de base selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits moyens de calcul déterminent la différence de phase entre les fréquences porteuses portant ladite valeur déterministe, et y associe ladite information représentative d'un retard. 12. Station de base selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'association à ladite différence de phase à ladite information représentative d'un retard est réalisé à l'aide d'une table de concordance stockée en mémoire. 13. Station de base selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisée en ce que ladite information représentative d'un retard comprend une valeur angulaire de phase et/ou un retard temporel. 14. Station de base selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de levée de l'ambiguïté due à la périodicité de la fonction considérée, par analyse de transitions entre lesdites valeurs déterministes et le symbole nul précédant et/ou suivant entre lesdites valeurs déterministes. 15. Station de base selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'émission préalable, vers lesdits terminaux, d'une référence de temps. 16. Terminal d'un système d'accès multiples, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de modulation et de transmission d'au moins deux fréquences porteuses d'un signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 17. Système d'accès multiples permettant la transmission de données entre une pluralités de terminaux et une station de base, caractérisé en ce que lesdits terminaux et ladite station de base sont conçus pour respectivement générer et recevoir un signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 18. Procédé de synchronisation d'au moins deux terminaux distincts d'un système d'accès multiples, produisant un signal traité comme un tout dans une station de base, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'émission, par lesdits terminaux, et de réception, par ladite station de base, d'un signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.