Qu'est-ce qui rend la LTE unique ?
Le passage à la LTE est motivé par la demande croissante de données diffusées de la part des utilisateurs mobiles. Habitués à une expérience utilisateur exceptionnelle au bureau, les consommateurs exigent désormais la même chose de leurs appareils mobiles : des débits de téléchargement et d'envoi rapides, une autonomie prolongée et un format compact. Pour réussir, les opérateurs doivent répondre à ces exigences et optimiser l'utilisation du spectre disponible, tout en réduisant leurs coûts d'investissement et d'exploitation afin de rester compétitifs.
Heureusement, la LTE offre des débits de téléchargement de 100 Mbit/s et des débits d'envoi de 50 Mbit/s pour chaque tranche de 20 MHz de spectre alloué ; ce sont précisément les débits qui répondent aux attentes des consommateurs, avec l'efficacité spectrale nécessaire aux opérateurs. Des débits encore plus élevés sont possibles, jusqu'à 326,3 Mbit/s en téléchargement grâce à l'utilisation de plusieurs antennes. Les utilisateurs mobiles s'attendant à ce que leur service fonctionne partout, il est essentiel que, malgré une optimisation pour des vitesses de 0 à 15 km/h, la LTE puisse garantir une mobilité performante même lorsque l'appareil se déplace entre 120 et 250 km/h.

Une autre caractéristique unique de la LTE est l'utilisation de deux techniques d'accès différentes : le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) pour la liaison descendante (station de base vers mobile) et l'accès multiple par répartition en fréquence à porteuse unique (SC-FDMA) pour la liaison montante (mobile vers station de base), avec une technique de modulation adaptative allant de QSPK à 64QAM. L'utilisation de ces différentes techniques d'accès améliore l'efficacité de l'amplificateur de puissance (PA) côté mobile (ce qui prolonge l'autonomie de la batterie) et optimise l'efficacité spectrale côté station de base. Il est également important de noter que certains appareils mobiles LTE prennent en charge les techniques de duplexage FDD et TDD, permettant aux utilisateurs de s'adapter dynamiquement aux différents systèmes selon les pays. De plus, la LTE fonctionne sur une bande passante évolutive de 1,4 à 20 MHz pour les liaisons montante et descendante, prenant en charge les bandes de fréquences mobiles et existantes.

Impact sur la conception du système :
Lors de la mise en œuvre de l’OFDM au sein de la LTE, plusieurs sous-porteuses orthogonales rapprochées forment un bloc de ressources (RB). Le nombre de RB varie en fonction de la bande passante du système (généralement, 1 RB = 12 sous-porteuses de 15 kHz chacune). Cette technique pose de nombreux défis à la conception des récepteurs en termes de sélectivité des canaux adjacents, car la spécification LTE indique des interférences beaucoup plus importantes dans la bande locale avec seulement 1 RB. Par conséquent, le choix de l’architecture système (conversion directe ou échantillonnage FI) et de la technique de traitement du signal (analogique ou numérique) a un impact significatif sur le respect des exigences du système LTE. De manière générale, les dispositifs présentant une linéarité et une isolation élevées contribuent à surmonter ce défi.
Les premières stations de base LTE utiliseront la technologie d’antenne 2x2 et adopteront probablement rapidement la technologie 2x4. Cela accroît la pression du marché en faveur d’une plus grande intégration afin de contrôler le nombre de composants et de minimiser la nomenclature et la complexité de conception. Par exemple, dans une configuration 2x2, on trouvera un atténuateur numérique de transmission (DSA) sur chaque voie d'émission et de réception, ainsi qu'un autre sur la voie de rétroaction de prédistorsion numérique, soit 15 DSA par station de base. De toute évidence, la nécessité de réduire l'encombrement tout en améliorant les performances des dispositifs est un facteur déterminant dans la conception du système.

L'extension de la bande passante est cruciale, car le réseau LTE s'étend au-delà des déploiements de bande passante actuels. Tous les équipements des réseaux mobiles et de stations de base LTE, y compris les commutateurs, les mélangeurs et les DSA, nécessiteront une bande passante extrêmement élevée pour gérer les fréquences supplémentaires. La capacité de commutation, en particulier, doit être suffisante pour atteindre un nombre sans précédent de positions de contact : jusqu'à 12, voire plus, dans un dispositif unipolaire (SP12T). Pourquoi un nombre aussi élevé ? Ces états supplémentaires requièrent une interface série avancée pour réduire les E/S et améliorer les fonctionnalités. De plus, certains déploiements LTE intégreront la technologie TDD, ce qui accroît les exigences en matière de nombre de positions de contact de commutation. Cette capacité de commutation accrue doit être obtenue avec des temps d'établissement rapides et dans un format aussi compact que possible, avec un routage compact pour intégrer les fonctionnalités supplémentaires au sein du dispositif.
Enfin, la LTE exige des pertes très faibles pour atteindre les rapports signal/bruit (SNR) nécessaires aux débits de données élevés. Ceci est particulièrement complexe en raison des bandes de fonctionnement supplémentaires de la LTE, qui imposent des contraintes importantes à l'antenne. Outre ces exigences, un réglage actif de l'antenne sera probablement nécessaire pour atteindre les performances souhaitées du dispositif LTE (v).

Heureusement, le procédé UltraCMOS est largement disponible pour atteindre des vitesses élevées, une faible consommation d'énergie, une linéarité élevée et une meilleure intégration des commutateurs, mélangeurs et analyseurs de signaux numériques (DSA) dans la chaîne de signal LTE.

Vitesses élevées :
une vitesse de commutation rapide est impérative pour protéger la voie de réception contre les dommages en présence de signaux de blocage puissants ; elle est également essentielle au contrôle du gain de la station de base. À mesure que le nombre de positions de contact LTE augmente, cette spécification devient encore plus importante. Des vitesses de commutation plus élevées et des temps d'établissement plus courts permettent des performances plus fiables et précises, et l'UltraCMOS offre intrinsèquement ces avantages. Par exemple, l'UltraCMOS PE43204 est un DSA avec une vitesse de commutation typique de 30 ns (voir figure 1), tout en maintenant un point d'interception du troisième ordre (IIP3) d'entrée de +61 dBm (typique), une perte d'insertion de 0,6 dB et une tension de décharge électrostatique (DES) de 2 kV. En comparaison, un DSA GaAs présente une vitesse de commutation typique de 130 ns, soit plus de quatre fois plus lente que le DSA UltraCMOS.

faible consommation d'énergie

Dans la spécification LTE, la technologie SC-FDMA a été choisie pour la liaison montante afin de réduire la consommation d'énergie. Or, une consommation d'énergie réduite au sein des appareils mobiles permet d'allonger l'autonomie de la batterie, un critère essentiel pour les consommateurs. Un commutateur SP9T tel que l'UltraCMOS PE42692 est parfaitement adapté aux applications LTE, car il offre un courant d'alimentation Idd typique de 120 µA.

Une linéarité élevée
n'est pas une exigence nouvelle pour les appareils mobiles. En effet, le module d'entrée RF a longtemps été l'élément le plus linéaire d'un appareil mobile. Cependant, à mesure que les systèmes LTE se complexifient, il devient difficile de concevoir un processus capable d'intégrer davantage de fonctions tout en conservant une linéarité élevée. En résumé, bien que les débits de données augmentent avec la LTE, les exigences de linéarité restent inchangées malgré l'ajout de semi-conducteurs. Par conséquent, les dispositifs d'un système LTE doivent offrir une linéarité supérieure à celle des dispositifs utilisés dans les générations précédentes d'appareils mobiles.

Grâce à la grille d'isolation de la technologie CMOS et à sa capacité intrinsèque à intégrer des techniques de conception mixte, les circuits intégrés UltraCMOS répondent aux exigences de linéarité qui imposent une solution monolithique. De fait, l'UltraCMOS est actuellement utilisé dans la conception et la fabrication de dispositifs présentant des niveaux élevés de linéarité et d'isolation. Le commutateur SP9T PE42692, par exemple, affiche un point d'interception du troisième ordre (IIP3) d'entrée de +71 dBm (voir figure 2), une perte d'insertion (IL) de 0,6 dB et une isolation émission-réception de 43 dB (900 MHz). De telles spécifications permettent des débits de données plus élevés au sein du système et améliorent la résistance aux interférences, ainsi que les performances sur l'ensemble du spectre.
La linéarité est étroitement liée à une isolation élevée, qui améliore la qualité du signal en présence de signaux interférents. Une isolation élevée est également nécessaire pour répondre aux exigences de performance élevées du duplexeur. Avec l'introduction de nouvelles bandes de fréquences de fonctionnement par la LTE, l'isolation devient encore plus critique. Au niveau de la station de base, la prédistorsion numérique (DPD) est un facteur essentiel pour améliorer l'efficacité des points d'accès (PA). Concrètement, le système échantillonne le trajet de transmission, corrige le signal et le réinjecte pour optimiser l'efficacité du PA. L'utilisation de composants à haute linéarité et à forte isolation dans la boucle de rétroaction de la DPD est importante pour éviter toute distorsion et, par conséquent, toute dégradation de l'efficacité du PA. Fonctionnant entre le courant continu et 3 000 MHz, le commutateur SPDT UltraCMOS PE4257, par exemple, répond parfaitement aux exigences de conception de la boucle de rétroaction de la station de base avec une isolation de 64 dB à 1 000 MHz (voir figure 3) ; cette spécification d'isolation est due aux excellentes propriétés d'isolation du substrat en saphir de la technologie UltraCMOS.

Taille réduite et intégration accrue
 : les services LTE exigent des dispositifs qu'ils traitent d'importants volumes de données à haut débit sur une large bande passante. Cette fonctionnalité supplémentaire requiert une intégration plus poussée afin de maintenir un encombrement réduit et de respecter les prévisions de consommation énergétique. Grâce à son procédé CMOS, la technologie UltraCMOS offre une prise en charge des niveaux d'intégration élevés. Les commutateurs UltraCMOS, par exemple, intègrent un décodeur et ne nécessitent donc pas de signaux de commande supplémentaires, comme ceux utilisés pour les transistors GaAs. De plus, les condensateurs de blocage sont éliminés grâce à l'intégration d'un générateur de tension négative qui coupe les transistors FET. Afin d'accroître encore l'intégration, les ingénieurs de Peregrine Semiconductor ont développé le MultiSwitch™ (voir figure 4), qui intègre quatre commutateurs RF multipositions indépendants et hautes performances dans un circuit intégré monolithique à puce retournée. Ce circuit est piloté par un contrôleur CMOS intégré unique, ce qui permet une réduction de taille de plus de 85 % par rapport aux autres solutions. À titre d'exemple, le MultiSwitch mesure 1,6 x 1,93 mm, tandis que le commutateur UltraCMOS SP9T, avec décodeur, générateur de tension et protection ESD intégrés, mesure 1,36 x 1,28 mm. En comparaison, la solution basée sur le GaAs SP9T mesure 3,0 x 3,5 mm et nécessite 29 interconnexions dans un boîtier multipuces personnalisé.
Contrairement à tout autre composant disponible, le circuit intégré RF MultiSwitch offre une linéarité IIP3 de +71 dBm et une isolation supérieure à 70 dB sur les chemins critiques. Ce composant intègre des éléments clés habituellement situés hors du circuit GaAs, notamment trois lignes de commande sur 12 chemins indépendants.
D'ici 2011, ABI Research prévoit qu'environ 34 millions d'utilisateurs dans le monde seront abonnés à la LTE (vi), qui promet aux consommateurs des débits sur leurs appareils mobiles comparables à ceux disponibles par câble ou DSL. Grâce aux DSA, mélangeurs et commutateurs SP9T actuellement disponibles en grande quantité (et avec le développement des SP12T et versions supérieures), la technologie UltraCMOS est parfaitement adaptée à la conception d'appareils mobiles et de stations de base LTE.

(i) ABI Research, juillet 2009. http://www.abiresearch.com/research/1003359. Consulté le 25 août 2009.
(ii) In-Stat Research, juillet 2009. http://www.instat.com/press.asp?ID=2577&sku=IN0904599CCM
. Consulté le 25 août 2009.
(iii) Telefonica réalise les premiers tests de LTE en Espagne. http://www.cellular-news.com/story/36835.php
(iv) GSA, mars 2009. http://www.gsacom.com/news/gsa_265.php. Consulté le 25 août 2009.
(v) Ranta, Tero et Rodd Novak. « Une approche d’optimisation d’antenne améliore les combinés cellulaires », Microwaves & RF, novembre 2008. http://www.psemi.com/articles/2008/2008_ar_1.pdf. Consulté le 25 août 2009.
(vi) ABI Research, juillet 2009. http://www.abiresearch.com/research/1003359. Consulté le 25 août 2009.

Auteurs :

Dylan Kelly et Mark Schrepferman, Peregrine Semiconductor Corp.

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