Communications sans ﬁl - ENSEA · Physique Transmission et reception du signal num´ erique Flux...

Communications sans fil M2 ISIM, 2012-13

Iryna [email protected]

Sunday, October 14, 12

mailto:[email protected]:[email protected]

0. Introduction générale, ou peut-on avoir 100Gb/sec en sans-fil

• Objectif principal du cours : couche PHY des systèmes sans fil pour les ingénieurs en informatique

• Lien avec les cours de M1 :

• Réseaux sans fil (C. Weidmann)

• Communications numériques (I.A.)

• Format : cours et TDs


0. Contenu du cours

• Modèle du canal sans fil, est-il différent d’un canal filaire ou optique ou canal gaussien?

• Comment communique-t-on en sans fil? Multi-antennes, OFDM, DSSS

• Standards sans fil : 2G, 3G, LTE, Bluetooth, Wi-Fi, ...

• Futurs réseaux sans fil : réseaux ad-hoc, réseaux cooperatifs, radio cognitif, nouveaux mécanismes de sécurité ...


1. Introduction


Systèmes filaires et sans fil : comparaison


Systèmes filaires et sans fil : comparaisonTerminaux Canaux



Filaire

- puissance de calcul limitée, délai de calcul- nombre des entrées/sorties- connaissance limitée du réseau- connaissance du canal- complexité limitée

- canaux indépendants- pas d’interférence entre les canaux- bande passante limitée mais grande- type du canal: effacement pas paquets- invariance avec le temps



Filaire

- puissance de calcul limitée, délai de calcul- nombre des entrées/sorties- connaissance limitée du réseau- connaissance du canal- complexité limitée

- canaux indépendants- pas d’interférence entre les canaux- bande passante limitée mais grande- type du canal: effacement pas paquets- invariance avec le temps

Sans fil

- puissance de calcul +limitée- puissance émise limitée - half-duplex et full-duplex- délai de propagation- connaissance limitée du réseau- connaissance limitée du canal

- broadcast, donc interférence- bruit du canal élevé- bande passante très limitée- changements rapides des paramètres du canal


Couches de protocoleSIC Pro - Cours 1 - Communications sans fils

Couches Fonction Traitement de l’information

Transport Control du flux Par paquets de bits

Network Routage par la séquence des liens Par paquets de bits

MAC Transmission par un seul lien Par paquets de bits

Physique Transmission et réception du signal numérique Flux des symbolesDans certains systèmes sans fil (ex. réseau des capteurs) le schéma des couches est simplifié.

1.3 Couche physique: théorie de la communication

Au niveau de la couche physique, le schéma de communication est vu comme suit:

Figure 1: Chaı̂ne de communication

Cette chaı̂ne de communication représente la communication appelée ”point-à-point”, c’est-à-

dire d’un seul source à un seul destinataire.

Canal de communication : Un canal de communication donne une possibilité de communi-

quer à grandes distances. Ce module représente les signaux extèrieurs et le bruit qui affectent

la transmission. Evidemment, chaque système de communication a un modèle de canal appro-

prié. L’objectif principal de ce cours est de comprendre les techniques du traitement du signal

permettant de communiquer sous différents types de canaux.

Exemples des canaux de communication différents: lignes téléphoniques, cables TV, réseaux

Introduction dans les communications sans fils 2

- MAC (Media Access Control) : accès multiple des utilisateurs, protocoles de retransmission

- couche physique : modifications par rapport au schéma vu en M1

P.S. Dans certains réseaux sans fil (ex. ZigBee) le stack des couches est simplifié. P.S.S. Les couches ne sont plus considérées comme indépendantes (cas filaire).


Chaîne de communication (couche physique)

SIC Pro - Cours 1 - Communications sans fils


















point-à-point


Paramètres de transmission

• Capacité du canal

• Fréquence porteuse

• Bande passante

• Temps-symbole et débits ,

• Puissance émise par 1 bit utile

• Rapport signal-à-bruit

• Taux d’erreurs ,


sans fils, liens sattèlitaires.

Codage de source : Le but de communiquer est d’être capable de parler, écouter la musique,

regarder un video, regarder une page web par Internet etc. Dans tous ces cas le ”signal” étant

respectivement la voix, la musique, le video, les graphiques sont à convertir en une suite des bits.

Un tel appareil est appelé le quantificateur. Il existent plusieurs méthodes de quantification qui

convertissent et compriment le signal en bits. Dans certains cas, le codage de source peut être

associé avec la couche Application.

Codage de canal : Le codeur de canal ajoute une redondance pour proteger l’information

contre les erreurs introduits par un canal de communication bruité.

Mise en forme du signal : une partie de la chaı̂ne que nous allons étudier la plupart du temps.

Ce module convertit les bits au signal approprié pour le canal de communication, qui est typique-

ment analogique. Alors les messages (les groupes de bits) sont convertis en ondes de transmission

qui seront envoyés par le canal.

D´etecteur de signal : se basant sur l’observation bruité du signal, le détecteur doit décider quel

message a été émis. La procedure de détection dépend des techniques de mise-en-forme utilisés,

aussi que du canal de communication.

1.3.1 Paramètres de transmission: capacité du canal, bande passante, fŕequence porteuse,

temps-symbole, débit, probabilité d’erreurs, puissance émise, rapport signal-à-bruit

La capacité du canal définit les limites thériques du débit de la transmission:

Definition 1 La capacité du canal C est le débit maximal en bit par utilisation du canal pour lequel il

existe un schéma d etransmission tel que la probabilité d’erreurs tend vers 0, pour le nombre de bits transmis

suffisament grand.

La bande passante est un paramètre important pour une transmission sans fil. D’habitude elle

est notée par W et définit la largeur de la plage des fréquences, utilisée pour la transmission. Si

f0 est la fréquence porteuse du canal de transmission, alors le canal de transmission occupe la plage

des fréquences de f0 �W/2 jusqu’à f0 +W/2.
























suffisament grand.




























suffisament grand.







Le durée d’un symbole de transmission s’appele le temps-symbole et est noté par TS

. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS

on peut calculer le débit de transmission en symboles DS

:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)

D’où le débit de transmission des l’information utile Dsource,b

, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc

– le rendement du codeur et R – le rendement du modulateur. Rc

est calculé comme

Rc

= k/n ou k est le nombre de bits dans le bloc en entrée du codeur et n est le nombre de

bits dans le bloc en sortie du codeur. R est définit comme le nombre de bits par un symbole de

modulation.

L’a puissance pour transmettre un bit d’information utile est

Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES

est la puissance moyenne émise pour transmettre un symbole. La puissance du bruit ajouté

par le canal est souvent noté par N0. Donc, la qualité de la transmission se mesure par le rapport

signal-à-bruit Eb

/N0 qui montre quelles sont les valeurs des puissances du signal utile et du bruit

par rapport l’une à l’autre. Le rapport signalà-bruit est aussi appelé SNR (Signal-to-Noise Ratio

en anglais). D’habitude, on mesure le SNR en dB:

SNRdB

= 10 log10E

b

N0.

La probabilité d’erreur lors de la transmission se mesure à la sortie du décodeur. On peut calculer

le taux d’erreurs binaires (TEB ou BER, Binary Error Rate en anglais) comme

TEB =#bits reçus erronés

#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.



So on compte les bits par les paquets de k bits, on peut aussi définir le taux d’erreurs paquets (TEP

ou PER, Packet Error Rate en anglais) comme

TEP =#paquets reçus erronés

#paquets reçus.

2 Modèle physique du canal sans fils

Le canal de transmission mobile sans fils se caractérise par les variations en temps et en fréquence.

Les variations se divisent en deux grandes parties:

• évanouissement à grande échelle: dû à la perte d’amplitude du signal à cause de la distance

et des grandes obstacles;

• évanouissement à petite échelle: dû à l’interférence des multiples trajets entre l’émetteur et

le récepteur.

L’évanouissement à grande échelle est à prendre en compte lors de la plannification des réseaux

mobiles. L’évanouissement à petite échelle est à prendre en compte lors de la construction de

l’émetteur et du récepteur.

Les canaux sans fils opèrent par la radioation électromagnetique de l’émetteur au récepteur.

Nous allons considérer quelques cas de la propagation de l’onde électromagnetique.

2.1 Espace libre, émetteur et récepteur fixes

Soit le signal x(t) = cos 2⇡ft est émis. Alors le champ électrique au récepteur à la location u =

(r, ✓,�) au temps t est

E(f, t,u) =↵s

(✓.�, f) cos 2⇡f(t� r/c)r

,

c – vitesse de lumière,

↵s

– patterne de radiation de l’antenne

fr/c – variation de phase à cause de délai de propagation

1/r – évanouissement d’amplitude avec la distance

Mod

`

ele physique du canal sans fils 5


Lien entre les paramètres





















. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.


,



. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.




. TS

est lié

avec W comme suit:

TS

= 1/W.

En connaissant TS


:

DS

= 1/TS

= W (symboles/sec)


, en bits:

Dsource,b

= Rc

·R ·DS

(bits)

avec Rc


est calculé comme

Rc



modulation.


Eb

=

ES

Rc

R,

ou ES



signal-à-bruit Eb




SNRdB

= 10 log10E

b

N0.




#bits reçus.


C - ?


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