GSM, UMTS, WIFI, BLUETOOTH,

OFDM, ADSL...

(Version provisoire et incomplète ; infos récupérées sur différents sites)

Merci de transmettre corrections et compléments à leroux@essi.fr

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