Chapitre 1 : Caractérisation des ondes...

Chapitre 1 :Caractérisation des ondes

radio

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Réseaux cellulaires et systèmes sans fil

Réseaux cellulaire couverture continue d'un large territoire avec des stations de base.

Système sans fil couverture moins complexe

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Fonctions essentielles dans un réseau radiomobile :

✔ Itinérance ou Roaming : capacité à utiliser le réseau en tout point de la zone de service (pouvoir appeler et être appelé).

✔ Itinérance internationale ou International Roaming : capacité à utiliser un autre réseau que celui auquel on est abonné.

✔ Mobilité radio : possibilité de déplacer le terminal en gardant la communication.

gestion du handover ou du transfert intercellulaire automatique.

Réseaux cellulaires et systèmes sans fil

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La ressource radio

✔ Propagation :

✔ Réflexion : sur les parois lisses grandes devant la longueur d’onde du signal✔ Diffraction sur les arêtes grandes devant la longueur d’onde du signal=> permet une couverture de zones masquées✔ Diffusion sur les surfaces avec des irrégularités de la taille de la longueur d’onde.

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La ressource radio✔ Caractéristiques des multitrajets✔ Absence fréquente du trajet direct✔ Les obstacles ou réflecteur peuvent être mobiles : réponse impulsionnelle du canal variable au cours du temps

✔ Définition de réponses impulsionnelles typique

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La ressource radio✔ Effets des multitrajets Pour un signal à bande étroite, variations subites de l'amplitude du signal :✔ Modélisation par une loi de Rayleigh ✔ Évanouissements à petite échelle ou Fading Pour un signal à bande large :✔ En fréquence : modification du spectre du signal✔ En temps : interférence intersymbole

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Réseaux mobiles et sans fil

Réseaux mobiles : Donner la capacité à un utilisateur mobile de communiquer à l’extérieur de son réseau d’origine en conservant son adresse (GSM, IPmobile)

Réseaux sans fil :lié au support de transmission (Support hertzien)

– Exp : WiFi

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Classification des réseaux sans fil

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Caractéristiques

Capacité : dépend du spectre Qualité : la qualité des liens de

transmissions (liens radio) est variable à cause de :

La mobilité des usagers, Changement de l’environnement

Sécurité : Sécurité supplémentaire car les communications peuvent être écoutées, par n'importe qui sur le canal radio qui est communément utilisé.. A NAANAA

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Spectre Le spectre radio est nécessaire au

fonctionnement d'un système radio mobile. Gestion des spectres :

Limitation du spectre Les ondes radio sont des ressources

mondialement partagées L’utilisation du spectre radio est réglementé

au niveau national et international Règles et procédures pour la planification et

l’utilisation de bande de fréquences

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Organismes de gestion de spectre

UIT : un plan de fréquences selon les besoins locaux de chaque région :

Région 1 : Europe, Afrique et Moyen orient Région 2 : Amérique Région 3 : Asie

Exemple GSM :

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Fonctions essentielles dans un réseau cellulaire

Handover ou transfert intercellulaire automatique

Le système doit être disponible à n’importe quel endroit où les utilisateurs souhaitent l’utiliser.

Pendant une communication, le terminal est en liaison radio avec une BS déterminée, pendant son déplacement, il change de BS tout en maintenant la communication.

==> Mobilité radio : Possibilité de déplacer le terminal en gardant la communication.

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Fonctions essentielles dans un réseau cellulaire

Roaming ou Itinérance Capacité à utiliser le réseau en tout point

de la zone de service (pouvoir appeler et être appelé) :

Itinérance internationale ou International Roaming : capacité à utiliser un autre réseau que celui auquel on est abonné.

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Caractéristique de la voie : Trajets multiples

Une onde radio qui se propage dans l’espace peut être réfléchie ou absorbée par les obstacles rencontrés (plus dans les zones urbaines).

Les réflexions dépendent de la hauteur, de la taille, de l’orientation de l’obstacle et des Directions des trajets de l’onde radio.

On peut avoir un signal réfléchie très atténué. Les réflexions multiples : plusieurs trajets entre

l’émetteur et le récepteur.

Effet positif ou négatif

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Caractéristique de la voie : Trajets multiples

Effet positif Les trajets multiples permettent aux communications

d’avoir lieu dans le cas où il existe un obstacle entre l’émetteur et le récepteur.

Les trajets multiples permettent aux ondes d’assurer la continuité de la couverture radio.

Effet négatif La dispersion du retard : interférence intersymboles La modulation aléatoire de fréquences : Décalage

Doppler.

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Caractéristique de la voie : Interférence

Cochannel● Des émetteurs radio distants diffusant sur la même

fréquence que celle utilisée par un émetteur particulier que l'on souhaite capter, perturbent la réception, même quand ils sont très éloignés. Ce défaut est l'interférence de «cochannel».

Intermodulation Deux émetteurs radio, transmettant sur des fréquences

différentes, se perturbent mutuellement quand ils sont trop proches ou trop puissants. Ce défaut se nomme intermodulation.

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Caractéristique de la voie : Interférence

Bruit de fond● La sensibilité du récepteur est la source de ce type de

défaut. L'antenne de réception collecte le bruit thermique généré par l'électronique du récepteur en même temps que le signal radio, lequel bruit est amplifié avec le signal. Le filtrage permet d'améliorer le rapport signal sur le bruit.

Bruit atmosphérique Les ondes créées par des orages ou d'autres phénomènes

atmosphériques peuvent également brouiller les ondes radioélectriques. Elles se manifestent par des impulsions très brèves et de haut niveau. Le bruit atmosphérique est important dans les basses fréquences.

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Techniques d'accès multiples

Il y a plusieurs méthodes pour partager une ressource radio entre N utilisateurs :

TDMA (Time division multiple access ): Un canal physique simplex : 1 slot (intervalle de temps) sur 1 fréquence

FDMA (frequency division multiple access) : Un canal physique simplex : 1 fréquence.

CDMA (Code division multiple access) :Un canal physique simplex : 1 code.

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TDMA

Partage TDMA d'une porteuse en intervalles de temps ou slots.

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TDMA

Intérêt du TDMA :✔ Transmission 1 fois par trame,✔ Temps disponible pour faire autre chose (surveillance stations voisines),✔ Possibilité de débits différents (transmission pendant plus d'un slot par trame).

Inconvénient : ✔ L'augmentation du débit provoque l'interférence intrasymbole

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TDMA

La relation entre Tt et Ts est donnée par :

Une des principales difficultés de la TDMA, réside dans le fait qu'il faut synchroniser, sur la même horloge, l'ensemble des terminaux et qu'il faut éviter que les paquets de données (burst) émis par deux terminaux qui utilisent des times slots adjacents, ne se recouvrent, même partiellement, à l'arrivée à la station de base un intervalle de garde.

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T s=T t /N

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TDMA

Application GSM: La trame dure environ 4.615 ms (Tt), elle est divisée en 8 times slots de 577 μs (Ts). Un terminal transmet 156 bits utiles durant ce time slot de 577 μs. La durée de transmission d'un bit est de 3.7μs.

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Partage TDMA avec délai de garde

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TDMA

Application :

TV par satellite, Téléphonie fixe et mobile.

GSM : Porteuse espacées de 200KHz (modulation à 271Kb/s)Trame TDMA à 8 intervalles de temps (577µs par intervalle de temps) duplex de type FDD.

DECT: Porteuses espacées de 1.728MHz (modulation à 1152 Kb/s) trame à 24 intervalles de temps (417µs par intervalle de temps)Durée de garde=49µsDuplex de type TDD

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FDMAPartage de la ressource hertzienne en fréquences (ou porteuses)1 utilisateur par fréquence (ou couple de fréquences)1 canal physique simplex=1 fréquence.

Exemples : TV (Hertzien), Émetteurs radios, téléphonie mobile, GSM...

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FDMALa difficulté majeure de mise en œuvre réside dans la séparation des différentes bandes de fréquence de chaque utilisateur.

Pratiquement les sous bandes ne peuvent pas être jointives et sont séparées par un intervalle de garde.

Si on introduit la largeur de bande de fréquence disponible: B, et si on considère les intervalles de garde. Le nombre réels d'utilisateurs qui partagent le canal est donné par l'équation:

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Partage FDMA avec bande de garde

B=N 'W+(N '+1)W g

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Insuffisance TDMA & FDMAPour les modes d'accès en TDMA ou en FDMA on constate que le canal est décomposé en sous canaux indépendants, chaque sous canal étant alloué à un utilisateur. On se retrouve ainsi dans une approche de transmission assez classique où la difficulté principale consiste à allouer les ressources libres (sous bandes ou times slots) aux utilisateurs.

Lorsque l'on est confronté à un système de communications avec de nombreux utilisateurs ayant un trafic sporadique d'envoi de paquets de données, les mécanismes d'allocation de ressources doivent être dynamiques. De tels mécanismes sont mis en œuvre dans la technique d'accès CDMA.

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CDMALe CDMA est fondé sur la technique d'étalement de spectre. Parmi les axes d'applications :

Téléphonie mobile et sans fil, GPS, WLAN, IS95 (USA), UMTS. Les principaux avantages de la technologie CDMA sont :● Communication protéger,● Qualité de communication,● Faible consommation,● Flexibilité de l'allocation

Problèmes :● Contrôle de puissance,● Interférences entre différents canaux dans une même cellule,● Séquence pseudo aléatoires sur la voie montante.

Pour un bit, transmission d'une séquence de chips de longueur n● Séquence propre à chaque utilisateur=multiplexage de codes● Tous les utilisateurs transmettent sur la même fréquence.

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CDMAÉtalement par séquence directeExemple :

Pour un bit, transmission d'une séquence de chips de longueur n● Séquence propre à chaque utilisateur=multiplexage de codes● Tous les utilisateurs transmettent sur la même fréquence.

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CDMAÉtalement de spectreExemple :

Débit en bits: nombre de bits/Tb

Débit en chips: nombre de chips/Tc

Avec Tc=Tb/n. A NAANAA

Signal original

Signal étalé

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CDMAExemple sur une voie montante d'un système cellulaire terrestre :

On considère le cas où 3 utilisateurs souhaitent utiliser la même ressource radio pour transmettre chacun un train binaire différent.On suppose que les utilisateurs sont synchronisés.

Supposons enfin que ces 3 utilisateurs aient utilisé 3 séquences d'étalement orthogonales de Hadamard:

Utilisateur n°1bit à transmettre : a = { ±1}séquence d'étalement : +1 +1 +1 +1chips émis durant un temps bit : +a +a +a +a

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CDMAUtilisateur n°2bit à transmettre : b = { ±1}séquence d'étalement : +1 1 +1 1chips émis durant un temps bit : +b b +b b

Utilisateur n°3bit à transmettre : c = { ±1}séquence d'étalement : +1 +1 1 1chips émis durant un temps bit : +c +c c c

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CDMALes éléments des séquences d'étalement dont appelés des chips.Dans cette exemple chaque séquence est constitué de 4 chips d’où :

Dans le cas d'une transmission sans bruit !, le signal reçu pendant un temps bit est de la forme :

r = (a + b + c ) (a − b + c) (a + b − c) (a − b − c)

Pour retrouver le bit émis par un utilisateur, il suffit de corréler ce signal reçu par la séquence utilisée par cet utilisateur.

Si l'on prend l'exemple du premier utilisateur, on obtient :â=1/4[1.(a + b + c) + 1.(a − b + c) + 1.(a + b − c) + 1.(a − b − c)]D’où : â=a

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T b=4Tc

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CDMAExercice :

Considérons 2 utilisateurs qui partage la même ressource radio pour transmettre chacun un train binaire différent. Les deux utilisateurs sont bien synchroniser et utilisent des séquences de codes orthogonaux.

Données : Utilisateur1: Séquence binaire= 1 1 1, code= 1 1 1 1Utilisateur2: Séquence binaire= 1 1 1, code= 1 1 1 1

Trouver les séquences de bit reçu pour les deux utilisateurs au niveau du récepteur.

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Séquences de HadamardLes séquences d'étalement de Hadamard sont des séquences binaires orthogonales qui se construisent récursivement à partir d'une matrice carrée de la manière suivante :

Où bien

Avec est la matrice complémentaire de

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H̄ n H n

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Produit de convolutionLe produit de convolution de deux fonctions réelles ou complexes f et g, est une autre fonction, qui se note généralement f*g est qui est définie par :

Convolution analogique :

Convolution numérique :

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Transmissions radioélectriquesLa transmission radio analogique :

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Modulation Émission

Micro Chaîne d'émission

Démodulation Réception

Haut parleur

Chaîne de réception

Le micro remplit deux fonctions, c'est à la fois un capteur d'énergie acoustique et un transducteur du signal acoustique en électrique dont la tension et la fréquence varient en suivant l'amplitude et la fréquence du signal capté.

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Transmissions radioélectriquesLa transmission radio analogique :

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Modulation : Une onde porteuse est modulée avec le signal sortant du micro suivant la technique choisie (amplitude, fréquence, phase).

Émission : Les traitements nécessaires à l'émission du signal sont réalisés et l'antenne diffuse les ondes radio.

Chaîne de réception: L'antenne de réception capte l'onde radioélectrique qui est amplifiée avant d'arriver dans le démodulateur qui lui extrait le signal utile de sa porteuse pour le fournir au hautparleur. Le hautparleur est un transducteur électromécanique, il transforme l'énergie électrique en énergie mécanique par une bobine, laquelle fait vibrer une membrane pour transformer l'énergie mécanique en un son.

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Transmissions radioélectriquesLa transmission radio numérique:

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Cette technique demande des traitements plus nombreux et plus complexes car il faut numériser le signal :Échantillonnage, quantification et codage.

L'échantillonnage du signal est une opération qui consiste à hacher un signal continu à des instants régulièrement espacés dans le temps. pour obtenir des tranches dont la hauteur est l'amplitude du signal à un instant t.

La quantification attribue une valeur aux amplitudes mesurées.

Le codage est la dernière opération pour numériser un signal après la quantification des échantillons, elle attribue une valeur numérique à un échantillon en fonction du nombre de digits disponible.

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Transmissions radioélectriquesLa transmission radio numérique: L’avantage de la transmission numérique par rapport à la transmission analogique réside dans la possibilité d'ajouter des informations de redondance à l'information utile. Cette redondance fournit un moyen de détecter les altérations subies par le signal durant son transport et, d'une certaine façon, de corriger ses défauts, ce qui est impossible avec la transmission analogique.

La chaîne de réception du système contrôle ce format, elle sait détecter les violations et, dans une certaine mesure, la chaîne de réception peut corriger les erreurs de transmission détectées selon les propriétés du codage utilisé.

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Modulation Émission

Chaîne d'émission

Numérisation vocodeur

Micro

Codage de L'information

Haut parleur

Démodulation Réception

Chaîne de réception

Décodage de L'information

Synthèse

vocale

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Le signal est numérisé par le vocodeur (Codeur DECodeur:CODEC), le signal acoustique est transformé en une suite d'échantillons.

L'amplitude de chaque échantillon est codée par le codeur.

Les traitements de la chaîne de réception sont l'image dans un miroir de ceux de la chaîne d'émission.

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Transmissions radioélectriques

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Physique Logique

Signal acoustique

Numérisation

Codage

Modulation

Emission

Transmission

Réception

Démodulation

Décodage

Synthèse

Signal acoustique

Les transformations de l'information dans une transmission numérique

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