GSM, UMTS, WIFI, BLUETOOTH,
OFDM, ADSL...
(Version provisoire et incomplète ; infos récupérées sur différents sites)
Merci de transmettre corrections et compléments à [email protected]
Radiotéléphone cellulaire numérique ; échange de données entre stations de base et mobiles
Multiplexage en fréquence et en temps
Débit de transmission de parole : 13 kbits/s ou 5.6 Kbits/s
Bande de fréquences de largeur 200 kHz pour transmettre 271 kbits/s(multiplexage de 8 communications par canal fréquentiel)
Transmission dans les bandes 890-915 MHz et 915-940 MHz
Itinérance (roaming): suivre les mobiles; Handover: commutation de la communication d’un mobile d’ une cellule à une autre
Global System Mobiles (fin années 1980)
X. Lagrange, P. Godlewski et S. Tabbane, Réseaux GSM-DCS, Hermès,1995;
cellulesGSM
Une antenne couvreun secteur géographiquedont la surface dépendde la densité d ’utilisateurs
Cellules de100m (urbaine) à 30 km de rayon(campagne)
Antennes directivessouvent trois par trois
Problème de répartition des fréquenceslors de la modification des cellules du réseau
Éviter les interférencesavec les signaux descellules voisines
GSM
Gérér les passage d ’un mobile d ’une cellule à la voisine
- Essentiellement scrutation des niveaux des signaux de communication
- Echange d ’informations entre le contrôleur de la cellule que quitte le mobileet celui de la cellule qui le prend en charge
- Saut de fréquences : schéma d ’utilisation des fréquences dans les cellules
Téléphone mobile cellulaireGSM
Pas d ’algorithmique compliquée mais une mise en œuvre complexeexemple de problèmes à gérer :
Mobile en écoute, renvoie des infos aux stations de base
Une des stations de base décide de prendre le contrôle (échange d ’infos sur l ’intensité des signaux reçus par les différentes stations)
Choix de la fréquence de communication
Inscription sur la liste des clients de la cellule
Résolution des problèmes de synchronisation (décalage de l ’émission par le mobileen fonction des infos reçues par la station de base ; prise en compte du temps de transmissionà la vitesse de la lumière)
Ecoute des signaux de contrôle émis par les cellules voisines pour un éventuel changement)
Contrôle de puissance; compensation des défauts du canal de transmission
Gestion de la communication radioGSM
problèmes de cryptage et d ’authentification
Localisation en permanence des mobiles; dans quelle cellule se trouvent-ils ?
Le mobile en veille est actif: il écoute les requêtes et y répond (synchronisation par les stations de base)
implique un échange important de signalisation
Itinérance, Handover
La station de base de la cellule ou rentre le mobile doit choisirune fréquence libre avec une qualité de communication suffisante
A B
Trajet du mobile
Stations de base
GSM
Bandes de fréquences
Bandes de fréquences utilisées en communication GSM, la largeur d'un canal de com-munication est de 200 kHz.
GSM
Modulation GMSK
Diminuer la largeur de bande en atténuantles variations brusques de phase
GSM
Gaussian minimum shift keying
Modulation GMSK
0 100 200 300 400 500
-0.9
0.2
abst b
0 100 200 300 400 500-3
-2
-1
0
1
2
3
abst m
logs
-2000 -1000 0 1000 2000
-20
20
absct 2048 logs( )
Signal à émettre
Évolution correspondante de la phase
temps
temps
fréquence
Bande de fréquence
GSM
Correction d’erreurs
Exemple de codeur convolutionnel utilisé dans le GSM; deux des sorties (du haut) sontutilisées pour le codage de toutes les données, ces redondances sont complétées par les deux autressorties (celles du bas) pour les transmissions de données à 4.8 et 2.4 kbits/s
GSM
Paquets de données
Composition d'une trame en huit slots
Composition d'un slot. Entre deux slots, il y a des intervalles où les spécifications destemps de montée et de descente des signaux sont précisées. Les trois premiers et les trois derniersbits du slot servent à la synchronisation. Il y a 2 x 58 bits de données utiles dans chaque slot. Les26 bits du milieu sont une séquence pseudo-aléatoire connue du récepteur permettant de réduireles déformations du canal de transmission.
GSM
Entrelacement des données
Entrelacement des données à transmettre sur différentes trames: les données sonttransmises dans le même slot, mais dans des trames successives; les quatre premiers paquets dedonnées de 57 bits chacun sont rangés dans le premier groupe de bits de chaque slot; les quatrederniers sont rangés dans le deuxième groupe de bits de chaque slot
GSM
Opérations effectuéesGSM
Compression de la paroleGSM
(Long term prediction)
Les débits des données transmises par un utilisateur sont variables : de 144 kbit/s à 384 kbit/s et même 2 Mbit/s à faible distance.Le débit de transmission effectif au niveau des ondes : 3.84 Mchip/s à valeurs complexes (deux bits) : 1 trame de 10 ms = 15 slots = 15 x 2560 (38400 chips)1 chip (2 bits) = 0.26s
Les bandes de fréquences utilisées : 1885-2025 MHz; 2110-2200 MHz; 806-960 MHz (BandeGSM) ; 1710-1885 MHz(Bande GSM DCS) ; 2500-2690 MHz (dans ces bandes, les fréquences peuvent devoir être partagées avec d'autres réseaux). Un réseau UMTS: Bande de 5 MHz.
Universal Mobile Telephone Service
UMTS (3G)
http://www.umtsworld.com/technology/moc.htm
P. Lescuyer, UMTS, les origines, l ’architecture, la norme, Dunod, 2002
1920-1980 et 2110-2170 MHz Frequency Division Duplex (FDD, W-CDMA) largeur des canaux 5 MHz sous bandes 200 kHz. un operateur : 3 - 4 canaux (2x15 MHz or 2x20 MHz) .
1900-1920 et 2010-2025 MHz Time Division Duplex (TDD, TD/CDMA), largeur des canaux 5 MHz sous bandes 200 kHz.
1980-2010 and 2170-2200 MHz Satellite uplink et downlink.
Débit max de l ’ordre de 1 à 2 Mbits/s
Bandes de fréquencesUM
TS
1885-2250 MHz
Défauts du canal : Antenne adaptative par les stations de base :Trajets multiples éventuellement pris en compte (directivité)
QPSK
k
kkk txaty )()(
a1, 1
x1 (t)
ak, k
xk (t)
an, n
xn (t)
Ajustement de la puissance
UMTS
Modulation
Antenne adaptative
Code Division Multiple AccessPour réduire les problèmes de ré-allocation de fréquences
Remplacer le type de modulation FDMA par CDMA
Frequency Division Multiple AccessCode Division Multiple Access (Walsh Hadamard)
Problèmes de synchronisationet de contrôle automatique des niveaux
Chaque usager a une signature orthogonale à celle des autres usagers
),()()( ktskbtxk
),( kts
Elargissement de la bande de fréquence (étalement du spectre): p. ex. 60 MHz dans la bande des 2 GHz
)1,(ts
)2,(ts
)3,(ts
)4,(ts dtktstxkb T ),()()( 0
codage
décodage
de 100 kbit/s à 500 kbit/s par usager
CDMAUM
TS
ScramblingUMTS
Scrambler double ( pour les données complexes )
Correction d ’erreurs
Détection : CRC (Cyclic Redundancy Codes)
Codeur Convolutionnel 256 états
Turbocodes
UMTS
Codes de Reed Muller
CRC
Polynôme à coefs binaires de degré)(zd k
)(zm Message binaire à transmettre
)()()()( zrzqzdzm
Emission)()( zrzzm k
Réception )(')(' zrzzm k
)('')(')()(' zrzqzdzm Test
)(')('' zrzr Erreur
UMTS
d(z) = z24 + z23 + z6 + z5 + z + 1 ou z16 + z12 + z5 + 1 ou z12 + z11 + z3 + z2 + z + 1 ou z8 + z7 + z4 + z3 + z + 1
Codeurs convolutionnels
Et pour lesturbocodes
UMTS
Turbocodes
émetteur
récepteur
UMTS
http://www.umtsworld.com/technology/images/timeslots.gif
s
UMTS
1 trame radio de de durée 10 ms = 15 slots de durée 0.67 ms 1 slot = 2560 chips de durée 0.262 s
Soit un débit de 3.84 Mchips/s(1 chip = une donnée QPSK = 2 bits)
Transmission de parole :
Ligne de bonne qualité : Plus de bits pour le codage de la parole ; Moins pour la correction d’erreurs
Ligne de qualité réduite : Moins de bits pour le codage de la parole ; Plus pour la correction d’erreurs
Prédiction linéaire de 12 à 5 kbits/s
UMTS
Éléments de description en transmission (couche physique)(sans l’analyse des caractéristiques réseaux/commutation)
IEEE 802.11b (WIFI), Bluetooth, OFDM, ADSL, ...
- Sécurité cryptage authentification- Codage/ compression (parole, audio, images, …)
- Fréquence (bandes de fréquences, sauts de fréquences, ...)- Débit- Modulation, constellation- Détection correction d’erreurs- Compensation des défauts du canal de transmission
- Multiplexage des échanges avec différents utilisateurs- Organisation des paquets de données
Bluetooth (WAP), IEEE 802.11b
Fréquence 2.4 GHz
Faible puissance (qques mwatts), petites distances
Débit 1 à 2 Mbit/s extensible 5.5 à 11 Mbit/s
de 2.400 à 2.4835 GHz en canaux de 10 MHz de largeurséparés de 25 MHz (dépend des règlements des payspar exemple en France 2.457, 2.462, 2.467, 2.472 GHz)
Etalement du spectre :
« 1 » « 0 »
devient
- modulation par une séquence de Barker(spectre large) :
temps
fréquence Différents utilisateurs
- Sauts de fréquence suivant un motif préétabli
WIF
I
(diversité)
Modulation, constellation Gaussian Frequency Shift Keying
t
f
‘‘0’’
‘‘1’’ +150kHz
-150kHz
Ou differential PSK (direct sequence transmission)
WIF
I
Codeur convolutionnel 802.11b
Eventuellement CRC x16+x12+x5+1, x8+x7+ x5+ x2+ x+1, répétition
Hamming (15,10)
(égalisation, synchronisation) z-7+z-4+1
data in
data out
WIF
IScrambling
Détection, correction d’erreurs :
Poinçonnage (puncturing) afin de réduire le nombre de données à transmettrepar exemple 3 sur 4, la valeur de la quatrième étant supposée forcée à 0
data in
data out
Etablissement des liaisons : maître/esclaves dans un ‘ piconet’ pour simplifier les pb de synchronisation
Audio : 64 kbits/s (A law / law) ou delta modulation (32 kbits/s)
Sécurité : authentification / chiffrage IMPORTANTE DANS BLUETOOTH(clés secrètes)moins élaboré à ce niveau dans IEEE 802.11b
Slot 625 s min mais multiples possibles
Paquets : accès 72 bits; entête 54 bits; données de 0 à 2745 bits
Organisation des paquets de donnéesWIF
I
Digital Audio Video Broadcasting ; 802.11a (5 GHz)
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
0x 1x 1Nx
tje 0 tje 0
tjNe 1
Codage
Décodage = Transformée de Fourier
Problèmes de synchronisationMoins de problèmes d’égalisation
Durée plus longue de l’émission d’1 bitmais multiplexage en fréquence
Transformée de Fourier inverse 64 points
freq0
1N
0x 1Nx10
Pas d ’interférence entre signaux correspondant à des sousporteuses
.
28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 440.5
0
0.5
1
1.5
fréquence
Nyquist : à la fréquence d ’un canal associée à une donnée, les autres composantes sont nulles
OFDM Composantes fréquentielles orthogonales
Constellations possibles BPSK (2), QPSK (4), 16QAM, 64QAM
Dans chaque canal 42 sous-porteuses espacées de 312.5 kHz + 4 fréquences pilotes
Durée d’un symbole OFDM : 4s
Largeur de bande 16.66 MHzpar exemple 8 canaux de 5150 à 5350 MHz
Débit de 24 Mbit/s (de 6 à 54 Mbit/s) soit 5 à 6 programmes pour un canal analogique actuel
OFDM
Codeur convolutionnel 802.11a
CRC polynôme
x32+ x26+ x23+ x22+ x16+ x12+ x11+ x10+ x8+ x7+ x5+ x4+ x2+ x+ 1
Correction d ’erreurs
Reed Solomon (204, 188) corrige jusqu ’à 8 erreurs
data in
data out
Scrambler
OFDM
FEC : Forwards
Error Correction
Mapping
IFFT
Modulation complexe
Modulation porteuse
Émission
Correction d’erreurs
Demapping
FFT
démodulation complexe
Démodulation porteuse
Réception
Hor
loge
loca
le
sync
hron
isat
ion
Hor
loge
transmission
Schéma très simplifiéOFDM
Télévision Numérique Terrestre
OFDM/COFDM
(COFDM = redondance)
6817 porteuses (8k)
durée d’une donnée 896 s + intervalle de garde
modulation QPSK, 16 ou 64 QAM
Bande UHF : de 470 à 860 MHzcanaux de largeur 8 MHz
Digital Video Broadcasting
codage pour réduire le débit (compression)
audio codage du même type que mp3
video mpeg2 (transformée en cosinuset compensation de mouvement) : passerde 166 Mbits/s à 15 Mbits/s
15 à 24 Mbits/s (de 8 à 32 ?)
TNT
mpeg4 : structurer et modifier l’image
multiplexage temporel de plusieurs canaux
scrambling (Comon Scrambling Algorithm)
codes correcteurs d’erreurs
Reed Solomon 204= 188+8x2
codes convolutionnels
+ poinçonnage 3/4
TNT
Communication utilisant les courants porteurs(sur fils électriques)
Modulation : OFDMBPSK (76bits/symbole OFDM)QPSK(152 bits/symbole OFDM)
Bande de fréquence 2.4 GHz
Débit de l ’ordre de 1 à 10 Mb/s
Spécificité : niveau de bruit très important et très fluctuant
OFDM
Asynchronous Digital Suscriber Line
Découpe de la bande de fréquence en différents canaux
Allocation des données en fonction de la qualité du canal(contourne les problèmes d ’égalisation) ; nécessité d ’une adaptation dynamique
ADSL
Et permet un débit de 512 kb/s et 1024 kb/s
La bande passante de la ligne d ’abonné peut atteindre 1 MHz
http://www.iweil.com/communication/adsl%20tutor.pdf
http : //www/protocols/com/papers=virata_dsl2/pdf
une partie de la bande passante pour la transmission de parole (4kHz).
ADSL peut produire le débit de 4 Mb/s du central vers l'abonné sur une paire torsadée longue de 5 km, 6 Mb/s sur une distance de 3 km, 8 Mb/s sur 2 km. En sens inverse de l'abonné vers le central téléphonique le débit peut aller de 64 à 640 kb/s.
Deux types de modulation : - CAP (Carrierless Amplitude Phase), - DMT (Discrete MultiTone) ;
ADSL
CAP (Carrierless Amplitude Phase)
Utilisation de la bande de fréquence dans la variante CAP; la bande basse de 4KHz est utilisée pour la voix ; la bande de 25 à 160 KHz envoie des informations de l'abonné au central ;la bande au-delà de 240 kHz transmet les données du central vers l'abonné ; sa largeur dépend de laqualité de la liaison de 1 MHz à 8 MHz.
Dans les deux directions QAM de 4 à 512 états.
Voie montante
Voie descdteV
oix
ADSL
la bande de fréquence la plus basse (en dessous de 4 KHz est réservée à la parole ; au delà il y a 256 canaux de largeur 4 KHz ; à chacun d'entre eux on alloue un certain nombre de bits en fonction de la qualité(bruit, distorsion) de cette bandeLe débit sera plus élevé (jusqu'à 15 bits par symbole) dans unebande de bonne qualité et réduit éventuellement à zéro dans une bande de qualité médiocre ;scrutation des déformations et apprentissage des caractéristiques de la ligne de transmission pouroptimiser les paramètres de la transmission ; le débit maximum est ainsi fonction de la qualité de laligne ; faible sur une ligne de qualité médiocre (longueur, diaphonie, …).Utilisation de techniques type OFDM pour le calcul des signaux (Fourier) ;certains canaux réservés à la synchronisation
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 640
1.5
.
Fréquence
DMT (Discrete MultiTone)
voix
ADSL
DMT (Discrete MultiTone)ADSL
255 canaux : calcul des signaux émis par transformée de Fourierrapide sur 256 points ; durée d ’un symbole DMT : 250 s
Pour chaque canal on a les données discrètes complexes à transmettre (modulation QAM) soit x(k)
On émet
À la réception on calcule
y(t) = k=0,…N-1
x(k) exp 2j kt/N
x(k) = t=0,…N-1
y(t) exp -2j kt/N1
N
ADSL
Modulation complexe QAMdans chaque canal, nombre d’états (4, 16, 64) fonction du rapport signal à bruit
Modulation
Bruit fort Bruit moyen Bruit faible
ADSL
CRC
+ Codes de Reed Solomon sur des paquetsde taille 240,224 (correction de huit erreurs)
+ codes convolutionnels
Correction d ’erreurs
ADSL
Schéma général
http://www.vocal.com/adslmodem.pdf
CONCLUSION
DE NOMBREUSES ALTERNATIVESMAIS DES PRINCIPES TECHNIQUES
ASSEZ SEMBLABLES(utilisation de la bande de fréquence,
modulation, correction d ’erreurs)
Evolution permanente par exemple en 2003 IEEE 802.11g à 54 Mbit/s