Survol du cours Organisation du cours Internet mobile Les · PDF file!propagation du signal,C...

Anne Fladenmuller MOB 2007

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Internet Mobile et Ambiant

MOB - M1 InformatiquePrintemps 2007

Chargés de cours :

Anne Fladenmuller

Guy Pujolle

MOB 2007Anne Fladenmuller

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Survol du cours

– Introduction! applications

! Définitions

! Challenges, histoire

– Transmission sans fil! fréquences & régulations

! propagation du signal, antennes, bilande liaison

! Transmission du signal : modulation etétalement de spectre

! Multiplexage et systèmes cellulaires

– Accès au médium! motivation, SDMA, FDMA, TDMA

(Aloha, CSMA, DAMA, PRMA, MACA,collision avoidance, polling), CDMA

– Wireless LANs! Technologie de base

! IEEE 802.11a/b/g, HIPERLAN,.15, Bluetooth

– Protocoles réseau! DHCP

! IP Mobile et micro-mobilité

! Réseaux Ad-hoc

– Protocoles de Transport! Transmission fiable

! Contrôle de flux

! Qualité de Service

– Support de la mobilité


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Organisation du cours Internet mobile

! Cours– La première partie du cours est basé principalement sur

le livre :

"Mobile Communications", Addison-Wesley de Jochen Schiller

Autres livres de référence :

– « Data and computer communications », WilliamStallings

– « Réseaux de mobiles et réseaux sans fil » KhaldounAl Agha, Guy Pujolle, Guillaume Vivier

– « Wi-fi par la pratique», Guy Pujolle, Davor Malès


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Les ordinateurs des années futures

! Intégration– Petits, pas chers, portables, remplaçables – plus de

modules séparés

! Technologie en tâche de fond– conscients de leur environnement et s’y adaptent

– reconnaissent la localisation de l’utilisateur et réagissentde manière appropriée (ex. transfert d’appels,connaissance du contexte)

! Technologie avancée


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Introduction

! Évolution des tendances– Marché bourgeonnant pour les ordinateurs mobiles

– Attirance pour les communications sans fil

! Impact de ces technologies sur le hardware ?– Miniaturisation des équipements

– hétérogénéité des matériels (terminaux mobiles sansclavier, disque dur,...)


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Marché du Wifi commercial (ABI Research).

! La croissance du nombre de hotspots WiFi en 2006– Le chiffre atteint les 143 700 points d'accès dans de monde, en

augmentation de 47 % par rapport à l'année dernière.

– 74 % de ces points WiFi en Amérique du Nord et en Europe

– Prévision : En 2011, la région Asie Pacifique devrait surpasserl'Europe que l'Amérique du Nord en nombre de points d'accès.

– l'Europe :

! premier marché du WiFi, avec 57 000 points d'accès WiFi.

! La croissance dominée par les établissements commerciaux qui mettenten place du WiFi gratuit. Exemple type : McDonald's, qui a équipé 17 %des 4000 fastfoods de la région.

– Le secteur hôtelier : premier diffuseur de WiFi au monde

! presque 40 000 points d'accès à travers le monde.

! Avenir : voix sur IP grâce au WiFi

! En 2010, ABI prévoit plus de 109 000 points d'accès WiFi dans cesecteur précis.

– Marché prometteur, avant l'utilisation effective du WiMAX.


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Nombre de clients sans fil dans le monde

Amerique

Europe

Japon

autres

total


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Introduction

– La demande de communications mobiles crée un besoind’intégration des différentes technologies :! Réseaux locaux normalisations IEEE 802.11,.15, .16, .20, ….! Internet: Les extensions IP Mobile au protocole IP! Réseaux étendus

Fixe : marchéstagnant

Cellulaire : marché croissant

Internet : marché croissant

• GSM• GPRS/EDGE• UMTS• 4 G

• Wireless ATM• IEEE 802.11• Bluetooth• Wimax

Evolution duréseautéléphoniqueRNIS

• IP sur fixe/IPv6• WDM• IP sans/avec QoS


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Différents aspects de la mobilité

! L’informatique mobile prend en compte :– Mobilité du terminal

! Connexion sans fil entre un terminal et un point d’accès ou entreplusieurs terminaux

! Garder les informations (enregistrement/appel) entre le client et leréseau s’il y a déplacement

! Permettre le handover et le paging– Mobilité des utilisateurs

! Permettre d’identifier un utilisateur quelque soit le terminall’opérateur/domaine et le type de réseau sur lequel il est enregistré

! Les profils utilisateurs doivent être toujours reconnus– Mobilité du service

! Permettre l’adaptation du service à l’environnement d’exécution– Mobilité de la session

! Permettre d’interrompre et reprendre une session d’un environnementdifférent


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Communications mobiles

! Mobilité des utilisateurs qui communiquent“anytime, anywhere, with anyone”

! Portabilité du matériel : les équipements peuventêtre connectés anytime, anywhere sur le réseauExemples :

Sans fil mobilité" " ordinateur fixe

" # portable dans un hotel

# " WLAN dans un bâtiment

historique

# # Personal Digital Assistant (PDA)


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Applications

– Véhicules! transmission de nouvelles, circulation, accidents, météo,

musique

! Communication grâce à la téléphonie mobile

! position via GPS

! Réseaux ad hoc locaux avec les véhicules proches

! Données (heure du prochain bus, communication entre taxis)

– Urgences! transmission de données médicales concernant un patient

! remplacement d’une infrastructure de communication détruite encas de catastrophe naturelle.

! crise, guerres...


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Application type : circulation routière

ad h

ocUMTS, WLAN,GSM, ...

PDA, portable, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, ...


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Applications

– Voyageur de commerce! Accès direct aux fichiers des utilisateurs centralisés sur un site

de la maison mère! Base de données consistante pour tous les agents! Bureau mobile

– Remplacement de réseaux fixes! Capteurs, e.g., météo, activités de la Terre! Flexibilité pour des congrés/expo temporaires! LANs dans des bâtiments historiques

– loisirs, éducation, ...! Accès Internet à l’extérieur! Guide de voyage intelligent avec mise à jour en fonction de la

localisation! Réseaux ad-hoc pour des jeux mullti-utilisateurs

Built

150BC


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Applications

! Nouvelle caractéristique liée à la mobilité– Services dépendants de la localisation

– Quel services, imprimante, fax, téléphone, serveur dans monenvironnement local

! Les services nous suivent…– Transfert d’appels automatique, …

! services d’information– „push“: e.g., promo dans un supermarché

– „pull“: e.g., où sont les cookies au chocolat ?

! services de support– caches, suivi du matériel mobile dans le réseau

! Domaine privé– A qui peut servir de cette information ?


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Applications

! Réseaux d’overlay – le but ultime

region

ville

campus

maison

Handoversverticaux

handovershorizontaux

intégration de réseaux hétérogènesfixes et mobiles avec des caractéristiquesde transmission différentes


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Equipements mobiles

performance

Pager• reception seulement• micro affichage• messages texte simples

Téléphones mobiles• voix, données• affichage texte (SMS)+ images (MMS)

PDA• affichage graphique simple• reconnaissance des caractères• WWW simplifié

Mini-Portable• petit clavier• versions simplifiées des applications standards

Portable• ordinateur performant• appli standards

Capteurs,contrôleursembarqués


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Equipements mobiles

! Effets de la portabilité des équipements– Consommation des batteries

! Puissance limitée, affichage faible qualité, disques petits

! CPU: consommation importante d’énergie

! Plus grande portabilité (équipements défectueux, vols)

– Interfaces utilisateur limitées! compromis entre la taille et la facilité d’utilisation

! intégration de reconnaissance vocale / caractères

– Mémoire limitée! Ajout de flash-memoires ou autres


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Réseaux sans fil vs filaires

– Taux de perte plus importants dû aux interférences

– Régulation restrictive des fréquences

– Débits plus faibles

– Délais plus grand et gigue plus importante! Temps d’établissement plus grand

– Moins de sécurité, attaques plus faciles! Tout le monde à accès au support (même pour téléphonie)

– Médium partagé! Important de le sécuriser


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Prémices des communications sans fil

! Utilisation de la lumière pour communiquer– sémaphores...– 150 av JC signaux de fumée– 1794, télégraphe optique, Claude Chappe

! importance primordiale des ondes électromagnétiques:– 1831 : Faraday démontre la parenté des phénomènes lumineux et des

phénomènes électromagnétiques.– 1864 : James Clark Maxwell grâce à des théories mathématiques

puissantes émet l'hypothèse des ondes électromagnétiques. Cesondes doivent exister, mais il ne peut le démontrerexpérimentalement.

– 1888 : Heinrich Rudolph Hertz, produit et décèle les ondesélectromagnétiques. Liaisons radio-électriques à des distancesatteignant une vingtaine de mètres et à travers plusieurs murs

– 1890 : M. Branly découvre un moyen beaucoup plus sensible que lerésonateur de Hertz pour détecter la présence des ondes hertziennes.


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Histoire des communications sans fil

! 1895 Guglielmo Marconi / Popov– Découvrent les antennes

– Premières démonstrations de la télégraphie

– Transmission longue onde, puissance du signal nécessaire important (>200kw)

! 1901 1ière transmission transatlantique

! 1907 Connexions commerciales transatlantiques– Énormes stations de base (antennes de 30 à 100m)

! 1915 Transmission voix sans fil entre NY - SF

! 1920 Découverte des ondes courtes par Marconi– réflexion sur la ionosphère

– Émetteurs récepteurs de plus petite taille, possible grâce à l’invention dutube à vide (1906, Lee DeForest and Robert von Lieben)

! 1926 téléphone dans le train– fils parallèles aux rails


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! 1928 : premiers essais pour la diffusion TV

! 1933 : modulation de Fréquences (E. H. Armstrong)

! 1958 : des systèmes de transmission analogique sont développés ( Exen Allemagne : 160MHz pour une station mobile, pas de handover 1971 :11 000 clients )

! 1982 : début de la spécification du GSM– But : système de téléphonie mobile avec roaming

! 1983 : début du système américain AMPS– (Advanced Mobile Phone System, analogique)

! 1984: Norme européenne CT-1 pour les téléphones sans fil à la maison

! 1991 Spécification du DECT– Digital European Cordless Telephone (today: Digital Enhanced Cordless

Telecommunications)

– 1880-1900MHz, portée ~100-500m, 120 canaux duplex, transmission dedonnées à 1.2Mbit/s, encryption de la voix, authentification, jusqu’à 10000utilisateurs/km2, + de 50 pays


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! 1992 début du GSM– Localisation automatique , handover– roaming en Europe – maintenant dans plus de 170 pays– services: données à 9.6kbit/s, FAX, voix, ...

! 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network)– ETSI, standardisation du type 1: 5.15 - 5.30GHz, 23.5Mbit/s– recommandations pour les types 2 et 3 (à 5GHz) and 4 (17GHz) pour les

réseaux sans fil ATM (jusqu’à 155Mbit/s)

! 1997 Wireless LAN – IEEE 802.11– norme IEEE, 2.4 - 2.5GHz et infrarouge à 2Mbit/s– Déjà des produits propriétaires dès le début

! 1998 Spécification des successeurs du GSM– UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) comme proposition

Européenne pour l’ IMT-2000– Iridium : 66 satellites basse orbite


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! 1999 Standardisation de nouveaux wireless LANs– IEEE standard 802.11b, 2.4-2.5GHz, 11Mbit/s

– Bluetooth pour pico cellules, 2.4Ghz, <1Mbit/s

– Décision à propos de l’IMT-2000

! Plusieurs « membres » dans la « famille » : UMTS, cdma2000, DECT,…

! 1999 Début du WAP (Wireless Application Protocol) et i-mode– Premier pas vers un système de communication mobile unifié

! 2000 GSM à plus haut débits– Premiers essais GPRS jusqu’à 50 kbit/s (orienté paquets)

– UMTS vente aux enchères

! 2001 début des systèmes de 3G : Cdma2000 in Korea, UMTS inEurope, Foma (almost UMTS) in Japon


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Systèmes sans fil


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Internet mobile : recherche en cours…

– Communication sans fil! Qualité de transmission (bande passante, taux d’erreurs, délai)

! modulation, codage, interférences

! Accès au support, régulation, …

– Mobilité! services dépendants de la localisation

! Support de la QoS (délai, gigue, sécurité),…

– Portabilité! Consommation d’énergie

! Puissance de traitement limitée, …

! Usages


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Modèle de référence utilisé pour ce cours

Application

Transport

Network

Data Link

Physical

Medium

Data Link

Physical

Application

Transport

Network

Data Link

Physical

Data Link

Physical

Network Network

Radio


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Modèle de référence utilisé pour ce cours

! Influence des communications mobiles sur lemodèles hiérarchique en couches– Couche application : service de localisation nouvelles

applications, multimédia, Applications adaptatives

– Couche transport : contrôle de flux et de congestion, .

– Couche réseau : qualité de service, adressage, routage,handover

– Couche liaison : authentification, accès au media,multiplexage

– Couche physique : encryption, modulation, interférences,atténuation, fréquences


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Plan du cours

Transmissions sans fil

Contrôle d’accès au support

WirelessLAN

Couche réseau mobile

Couche transport mobile

Support de la mobilité


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Survol du cours

– Introduction! applications

! Définitions

! Challenges, histoire

– Transmission sans fil! fréquences & régulations

! propagation du signal, antennes, bilande liaison

! Transmission du signal : modulation etétalement de spectre

! Multiplexage et systèmes cellulaires


(Aloha, CSMA, DAMA, PRMA, MACA,collision avoidance, polling), CDMA

– Wireless LANs! Technologie de base

! IEEE 802.11a/b/g,

– Protocoles réseau! DHCP

! IP Mobile et micro-mobilité

– Protocoles de Transport! Transmission fiable

! Contrôle de flux

! Qualité de Service


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! Fréquences et régulation

! Signal

! Transmission du signal

! Multiplexage


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Le spectre électromagnétique et son utilisation

100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024

radio microondes

infrarouges

UV rayonsX

rayonsgamma

lumièrevisible

f (Hz)

104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015

paires

coaxial

maritimeradioAM

radioFM

TV

satellite

µ!ondesterrestres

fibre

f (Hz)

bande LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF


32

Fréquences et régulations

! ITU-R régit la vente aux enchères de nouvelles fréquences etgérer les bandes de fréquence dans le monde

(f en MHz)


33

Fréquences et régulations

! Beaucoup d’autres fréquences ontété attribuées pour :

– Les liaisons satellites– Communications avec avion– Fréquences radio– Services de paging– Militaires, police,…

Fréquences hautes sont recherchées pour destransmissions rapides mais problèmesimportants d’atténuation.

– Bandes non régulées sont à l’étude.– Qu’en est-il de UWB (ultra Wide Band)?

Attribution des fréquences aux US


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Attribution des bandes

! à un usage– plus le spectre est large, plus le débit est élevé…

! au niveau international– l'ITU émet des Recommandations, qui ne sont que des recommandations…

! au niveau national– le gouvernement attribue les bandes : radio AM et FM, TV, téléphones

cellulaires, police, militaires, navigation, …

! à des opérateurs– algorithmes

! sélection sur dossier

! enchères

! loterie

– la bande ISM


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La bande ISM

! Industrial, Scientific, Medical– fours micro-ondes, systèmes d'ouverture des portes de garages,

souris d'ordinateurs, téléphones cordless, jouets télécommandés, …

! principe– n'importe qui peut émettre à volonté, mais la puissance d'émission

est limitée– la position des bandes varie d'un pays à l'autre

! ex : US, puissance limitée à 1 Watt

! ex : en France, l'ANFR (Agence Nationale des Fréquences) publie leTNRBF (Tableau National de Répartition des Bandes de Fréquences)

f

BP

902MhZ

928MHz

2,4GHz

2,4835GHz

5,735GHz

5,860GHz

26MHz

83,5MHz

125MHz


36



! Signal

$ Propagation du signal

$ Antennes

$ Bilan de liaison


! Multiplexage


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Message analogique vs. numérique

! message = données que l’usager souhaite transmettre

! message analogique– espace de temps continu, espace de valeurs continu

– ex : voix, vidéo, données collectées par des capteurs

! message numérique– espace de temps discret, espace de valeurs discret

– ex : texte, entiers

0 1 0 0 0 1 1 0 0 …


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Signal analogique vs. numérique

! Les signaux sont la représentation physique du message àtransmettre.

– ils se présentent généralement sous la forme d'une grandeurélectrique (tension, courant) qui peut ensuite être convertie en uneonde électrique ou électromagnétique pour la transmission

– signal analogique : signal représentant un message analogique

– signal numérique : signal résultant de la mise en forme d'unmessage numérique! il se présente sous la forme d'une succession de formes d'ondes

pouvant prendre une parmi un ensemble fini de possibilités utiliséespour coder l'information


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Propagation du signal

– Propagation dans l’espace sans obstacle se comportecomme la lumière (ligne droite)

– La puissance reçue est proportionnelle à 1/d!(d = distance entre émetteur et récepteur)

– La puissance reçue dépend :! De l’atténuation (liée à la fréquence)

– Densité de puissance = P / (4 " d!)– Perte de parcours (dB) = 10 log10(4 " d / #)

! Ombrage (shadowing)! De la réflexion sur les gros obstacles! De la réfraction! De la diffusion (scattering)! diffraction sur les bords

réflexion

diffusiondiffraction


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Propagation du signal

! Questions sur la propagation du signal :– Est-ce que les conditions climatiques affectent les liaisons ?

– Est-il possible d’établir des liaisons sans vue directe ?

– Est-il possible de calculer la portée d’une liaison avec un degré decertitude raisonnable ?

Exemple :

Atténuation (dB) = 20 * log10(F_porteuse)

+ 31 * log10(distance)

+ Nb étages *16

- 28


41

Exemple du monde réel


42

– Signal peut prendre plusieurs chemins différents entre un émetteur et unrécepteur à cause des effets de réflexion, de dispersion et de diffraction

– Dispersion temporelle % interférence entre symboles voisins

– Le signal atteint un récepteur directement et la phase est décalée %signal distordu par les phases des différentes parties du signal

Propagation multi-trajet

signal de l’émetteurSignal au récepteur


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Effets de la mobilité

! Les caractéristiques du canal changent dans le temps enfonction de la localisation

– le trajet du signal change

– variation des délais pour différentes composantes du signal

– différentes phases des composantes du signal

$ évanouissements rapides de la puissance reçue (short term fading)

! Autres variations dues– à la distance émetteur-récepteur

– aux obstacles

$ variations lentes de la puissance moyenne reçue (long term fading)

short term fading

long termfading

t

puissance


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Effets de la mobilité

! L'effet Doppler-Fizeau- se manifeste par le décalage entre la fréquence de l'onde

émise et de l'onde reçue lorsque l!émetteur et le

récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre; ilapparaît aussi lorsque l'onde se réfléchit sur un objet en

mouvement par rapport à l!émetteur ou au récepteur


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Antennes : radiateur isotrope

! Antenne permet la conversion d’un signal électrique en uneonde électromagnétique

! Rayonnement isotrope : vue de l’esprit - rayonnementidentique dans toutes les directions (espace à 3dimensions) – antenne de référence théorique

! Les antennes réelles ont toujours des effets directionnels(verticalement et/ou horizontalement)

! Diagramme de rayonnement : caractérisation durayonnement autour de l’antenne

zy

x

z

y x Rayonnementisotropeidéal


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Antennes: simples dipôles

! Les antennes réelles ne possèdent jamais unrayonnement isotrope

– Par ex. : dipôles de longueur d’onde #/4 (antenne de voiture) ou #/2 comme les dipôles Hertziens% la forme de l’antenne a un impact sur la longueur d’onde.

– Exemple : diagramme de rayonnement d’un dipôle Hertzien

– Gain : puissance maximum dans la direction du lobe principal parrapport à la puissance rayonnée dans

la même direction par une antenne isotrope de même puissancemoyenne

Vue de coté (plan xy)

x

y

Vue de coté (plan yz)

z

y

Vue du haut (plan xz)

x

z

dipole simple

#/4 #/2


47

Antennes

x

y

z

y

x

z

Vue de haut, 3 secteurs

x

z

Vue de haut, 3 secteurs

x

z

– Antennes directionnelles et sectorisées! Souvent utilisées pour les transmissions microondes ou les

stations de base pour la téléphonie mobile (ex. couverture radiod’une vallée)

antenne directive

antennesectorisée

Vue de coté (plan xy) Vue de coté (plan yz) Vue du haut (plan xz)


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Antennes

! Mode diversité :– Couplage de 2 ou plusieurs antennes

! antennes multi-éléments

– Diversité d’antenne! Sélection de diversité

– Récepteur choisit l’antenne avec le meilleur signal

! Combinaison de diversité– Combinaison de la puissance pour produire un gain

! Antennes intelligentes

+

#/4#/2#/4

ground plane

#/2#/2

+

#/2


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Paramétrer son système de transmission

! Les éléments qui affectent la portée maximum d’une liaison:

– Le codage des données définies par la technique de transmission(influe sur le débit)

– Puissance de sortie de l’émetteur (modification de la puissance)– Le gain de l’antenne émettrice/réceptrice (choix des antennes)– Existence ou non d’une ligne de vue directe dégagée (disposer au

mieux les points d’accès)– La sensibilité et l’intelligence de l’appareil récepteur– Limitation des interférences (cellules adjacentes sur des canaux

différents)

! Le bilan de liaison est un bilan de puissance le long de lachaîne transmission

! Total = émission (dBm) + propagation (dB) + réception (dBm)


50

Bilan de liaison

! Bilan de liaison :Puissance rayonnée (dBm) = émetteur (dBm)

- perte dans le câble (dB)+ gain antenne (dBi)

Propagation (dB) = affaiblissement en espace libre (dB)

Réception (dBm) = gain antenne (dBi)- perte dans le câble (dB)

- sensibilité du récepteur (dBm)

Ces calculs sont théoriques. Il s’agit d’un maximum atteignable sansprendre en compte les pertes additionnelles dues aux interférencesavec d’autres WLAN, bluetooth, fours microondes ou au défaut depointage des antennes, …


51



! Signal


$ Analyse de la transmission

$ Messages et signaux

$ Modulations

$ Etalement de spectre

! Multiplexage


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Transmission du signal

Tout signal est constitué de plusieurs composantesfréquentielles.

Pour un signal périodique, ces composantes fréquentiellessont toutes multiples de la fréquence fondamentale, égale àl’inverse de la période.

– Exemple :

s2(t) = 1/3 sin(2%(3f)t)s1(t) = sin(2%ft) s(t) = s1(t) +s2(t)


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Analyse théorique de la transmission

! 19ème siècle : Fourier montre qu’une fonctionsimple g(t) de période T=1/f

– an et bn sont les amplitudes sinus et cosinus de la nième

harmonique

les amplitudes an,bn etc pour une fonction g(t)donnée sont :


54


! Exemple :– Considérons la transmission du caractère “b” codé sur un octet de 8-

bit : “01100010”


55


! Exemple:– b encodé sur un octet de 8 bits. Format: “01100010”

Le spectre fréquentiel associé à une fonction périodique estun spectre de raies. Chaque raie correspond à uneharmonique. Il existe trois types de spectres fréquentiels :

! le spectre d’amplitude : hauteur de chaque raie! le spectre de puissance : hauteur de chaque raie an

2+bn2

! le spectre de phase : hauteur de chaque raie an/bn


56



57

Caractérisation du signal de données

– le support spectral du signal est la plage des fréquences qu’ilutilise

– notion de support spectral à n dB– la largeur spectrale (ou largeur de bande) est la largeur de ce

support

f

LB à 3 dB

Max/2

Max

0

F c


58

Capacité théorique d’un canal bruité

! Loi de Shannon– elle fournit le débit binaire maximum auquel on peut

théoriquement transmettre sans erreur sur un canal àbande passante limitée et sujet à de bruit

C = B . log2 (1 + PS/PN)! C est la capacité maximum théorique du support

! B est la largeur de la bande passante (en Hz)

! PS/PN est le rapport des puissances signal à bruit (sans unité)

! S/N = 10 . log10 (PS/PN)

! S/N en dB


59

Transmission sur fréquence porteuse

! Objectif– transposer le support spectral du signal BdB dans la bande

passante du support centrée sur f0! Principe

– La transmission est faite par modulation d'une onde porteusecaractérisée par :A sin (2 ! f0 t + ")

– Ses paramètres varient en fonction du signal de données (le signalmodulant) :! en modulation d'amplitude : A varie! en modulation de fréquence : f0 varie! en modulation de phase : " varie

– Modulation d’amplitude et modulation de phase sont combinables! exemple : QAM (Quadrature Amplitude Modulation)


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Modulation et démodulation

Décision desynchronisation

Données numériques

Démodulation

Porteusesinusoïdale

Signal enbande debase

101101001 récepteurradio

Codage en ligne

Données numériques Modulation

numérique

Porteusesinusoïdale

Signalnumérique enbande de base

101101001 transmetteurradio


61

Transmission sur fréquence porteuse

! Modulation de signaux : Shift Keying– Amplitude Shift Keying (ASK):

! Très simple

! Faibles besoins en BP

! Très sujet aux interférences

– Frequency Shift Keying (FSK):! Plus de besoins en BP

– Phase Shift Keying (PSK):! plus complexe

! robuste face aux interférences

1 0 1

t

t

t


62

Advanced Frequency Shift Keying

– La bande passante requise pour FSK dépend de ladistance entre les fréquences porteuses

– Traitement initial permet d’éviter des changementsbrusques de la phase % MSK (Minimum Shift Keying)! Les bits sont différentiés en fonction de leur parité : pair/impair et

leur durée est doublée! En fonction de la valeur des bits (pairs et impairs) on choisit la

fréquence haute et basse, originale (pour 0) ou inversée (pour 1)! La porteuse d’une des fréquences est le double de la deuxième

– Équivalent au décalage QPSK

! encore meilleure efficacité en utilisant un filtre passe basGaussien % GMSK (Gaussian MSK), utilisé dans le GSM


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Exemple de MSK

données

Bits pairs

Bitsimpairs

1 1 1 1 000

t

Fréquencebasse

Fréquencehaute

signal MSK

bit

pair 0 1 0 1

impair 0 0 1 1

signal h b b hvaleur - - + +

H : fréquence hauteB : fréquence basse+ : signal d’origine- : signal inversé

Pas de décalage de phase! MOB 2007Anne Fladenmuller

64

Phase Shift Keying avancée

! BPSK (Binary Phase Shift Keying):– Valeur de bit 0: sinusoïde– Valeur de bit 1: sinusoïde inversée– très simple PSK– Faible efficacité basse du spectre– robuste, utilisé e.g. systèmes satellite

! QPSK (Quadrature Phase Shift Keying):– 2 bits codés par 1 symbole– symbole détermine le décalage de la sinusoïde– Meilleure utilisation de BP que pour BPSK– plus complexe– On peut effectuer un déphasage relatif et non absolu dans le cas du

differential PSK (DPSK) utilisé dans IS-136 ou PHS

Q

IBit 0Bit 1

Q

I

11

01

10

00

11 10 00 01

A

t


65

Quadrature Amplitude Modulation

! Quadrature Amplitude Modulation (QAM): combine unemodulation d’amplitude et de phase

– Il est possible de coder n bits à l’aide d’un symbole

– 2n niveaux discrets, n=2 identique à QPSK

– Le taux d’erreurs/bit augmente avec n, mais reste inférieur àcelui d’un schéma PSK

– Exemple: 16-QAM (4 bits = 1 symbole)! Symboles 0011 et 0001 ont la même phase, mais

une amplitude différente.! 0000 et 1000 ont une phase différente, mais la

même amplitude.

% utilisé dans les modems standards 9600 bit/s

0000

0001

0011

1000

Q

I

0010


66

Technologies à étalement de spectre

! Technologie d’étalement duspectre

– Problème de transmission radio :l’atténuation de certainesfréquences peut faire disparaîtreles signaux sur des bandes defréquence étroites pendant ladurée d’une interférence.

– Solution :! étaler le signal en un signal large

bande en utilisant un codespécial

! protection contre lesinterférences dans des bandesde fréquence étroites


67

Technologie « spread spectrum»

Effets induits :

(1) coexistence de plusieurs signaux sans nécessité decoordination dynamique

(2) Résistance aux écoutes

– choix : Direct Sequence, Frequency Hopping

detection atreceiver

interference spread signal signal

spreadinterference

f f

power power


68

Effets de l’étalement de spectre

dP/df

f

i)

dP/df

f

ii)

émetteur

dP/df

f

iii)

dP/df

f

iv)

récepteurf

v)

Signal utilisateurInterférence large bandeInterférence bande étroite

dP/df


69

Étalement de spectre

! Étalement et atténuation sélective en fréquence

Fréquence

QualitéDu canal

1 23

4

5 6

Signal Canal étroit

Espace de garde

22

22

2

Fréquence

Qualitédu canal

1

ÉtalementDe spectre

Canaux en bande étroite

Canaux avec étalement de spectre


70


! DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)– XOR du signal avec un nombre pseudo-aléatoire

(chipping sequence)! plusieurs chips par bit (e.g., 128) génèrent un signal de

plus large spectre

– Avantages et inconvénients! réduit l’évanouissement sélectif des fréquences

! Pour les réseaux cellulaires– Les stations de base peuvent

utiliser la même plage de fréquences

– Plusieurs stations de base peuventdétecter et récupérer le signal

– soft handover

! Nécessite un contrôle de puissance précis

Donnéesutilisateur

chipping sequence

Signal résultant

0 1

0 1 1 0 1 0 1 01 0 0 1 11

XOR

0 1 1 0 0 1 0 11 0 1 0 01

=

tb

tc

tb: période d’un bit tc: période d’1 chip


71

Étalement de spectre - DSSS

X

Donnéesutilisateur

chippingsequence

modulator

porteuseradio

Signal àspectreétendu

Signaltransmis

transmetteur

demodulateur

Signal reçu

porteuseradio

X

chippingsequence

Filtrepasse-bas

récepteur

integrateur

produits

décisiondata

Sommeséchantillonnées

correlateur


72


! la technologie FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum ou étalementde spectre à sauts de fréquence)

– consiste à coder les informations en découpant les trames envoyées sur desfréquences différentes avec des sauts de fréquences aléatoires. Seuls lessystèmes disposant du même paramétrage peuvent interpréter et traiter cesinformations

– Changements discrets de porteuse de fréquences.

– Séquences de changements de fréquence déterminées par des séquences denombres pseudo aléatoires"Atténuation sélective de fréquences et interférences limitées à de courtes périodes

" Implémentation simple

"N’utilise qu’une portion du spectre à chaque instant

#Pas aussi robuste que DSSS pour le slow hopping

#Plus simple à détecter


73


! FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)– Deux versions

! Fast Hopping: plusieurs fréquences par bits! Slow Hopping: plusieurs bits utilisateur par fréquences

Bits utilisateurs

slowhopping(3 bits/saut)

fasthopping(3 sauts/bit)

0 1

tb

0 1 1 tf

f1

f2

f3

t

td

f

f1

f2

f3

t

td

tb: période d’un bit td: temps de maintien


74

Étalement de spectre - FHSS

modulatoruser data

hoppingsequence

modulator

narrowbandsignal

spreadtransmitsignal

transmitter

receivedsignal

receiver

demodulatordata

frequencysynthesizer

hoppingsequence

demodulator

frequencysynthesizer

narrowbandsignal


75



! Signal


! Multiplexage


76

! Multiplexage en 4 dimensions– espace (si)

– temps (t)

– fréquence (f)

– code (c)

! But : utilisation multipledu médium partagé

– Important : besoin d’espaces de garde

Multiplexage

k2 k3 k4 k5 k6k1

s2

s3

s1f

t

c

f

t

c

f

t

c

Canaux ki


77

Multiplexage

! Multiplexage fréquentiel– Séparation de l’ensemble du spectre en bandes de

fréquence. Un canal dispose tout le temps d’une bande duspectre.

– Applications : Téléphone, câble TV, satellite,…! Frequency division duplex : 2 sous canaux de communication, un

dans chaque sens.

! Time division duplex : Le même sous canal est attribué à tour derôle à chaque sens de la communication.


78

Multiplexage

! Avantages:– Pas besoin de coordination

dynamique

– Fonctionne aussi pourles signaux analogiques

! Inconvénients:– Gaspillage de la bande

passante si le trafic estdistribué inéquitablement

– inflexible

– Espaces de garde

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c


79

f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

Multiplexage

! Multiplexage temporel– Un canal tout le spectre pour une certaine quantité de

temps

– Avantages:! un seul canal sur

le support àun instant donné

! Débit élevé mêmepour beaucoupd’utilisateurs

– Inconvénients :! synchronisation

précise nécessaire

f

t

c

!"#$%&'

!"#$()*)+() +,&-


80

Multiplexage

! Multiplexage temporel et fréquentiel– Combinaison des deux méthodes : un canal obtient une certaine

fréquence pour un temps donné– Exemple du GSM : la bande passante du support est divisée en

canaux de 200 kHz, partagée entre au plus 8 stations grâce àl’assignation en fonction des besoins, d’intervalles de temps

– Avantages:! meilleure protection contre

les écoutes malveillantes! protection contre

les interférences fréquentielles sélectives

– coordination préciserequise entre récepteurs

f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1


81

Multiplexage par codes

! Multiplexage par codes– Chaque canal possède un code unique

– Tous les canaux utilisent le même spectre au même moment et toutle monde transmet simultanément.

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

– Avantages:!Pas de coordination ni de synchronisationnécessaire!Bonne protection contre les écoutes et lesinterférences

–Inconvénients :!Faible débit utilisateur!Régénération du signal plus complexe

–Implémenté à l’aide des technologies d’étalementdu spectre


82

Multiplexage

– Analogie d’une soirée :! TDM : les invités parlent à tour de rôle

! FDM : les invités sont dispersés dans la pièce et répartis engroupes. Les conversations sont faites simultanément dans lesdifférents groupes

! CDMA : Tout le monde est dans la même pièce et parle aumême moment mais dans des langues différentes.


83

Planification des fréquences

! Structure des cellules– Implémente le multiplexage spatial : la station de base couvre une

certaine région de transmission (cellule) et les stations mobiles necommuniquent qu’à l’aide de stations de base

– Utilisation de cellules de petite taille&Meilleure capacité si réutilisation intelligente des fréquences&Besoin d’une puissance de transmission moindre&La station de base résout localement les problèmes d’interférence et la

portée de transmission&Robustesse'Besoin de réseaux fixes pour les stations de base'Besoin de gérer les changements de cellules'interférence avec les autres cellules

– Taille des cellules à partir d’une centaine de m dans une ville à 35 kmdans des zones rurales (GSM) parfois moins pour des fréquenceshautes


84


! Réutilisation des fréquences avec une certaine distanceentre les stations de base

! Modèle standard utilise 7 fréquences:

! Allocation fixe des fréquences :– Certaines fréquences sont assignées à certaines cellules– Problème : trafic différent pour chaque cellule– Solution : Allocation dynamique des fréquences

! La station de base choisit les fréquences en fonction des fréquencesdéjà utilisées par les fréquences voisines.

! Plus grande capacité pour les cellules avec plus de trafic! L’allocation des fréquences peut également être basée en fonction de la

mesure des interférences.

f4

f5

f1f3

f2

f6

f7

f3f2

f4

f5

f1


85


f1

f2

f3f2

f1

f1

f2

f3f2

f3

f1

f2f1

f3f3

f3f3

f3f4

f5

f1f3

f2

f6

f7

f3f2

f4

f5

f1f3

f5f6

f7f2

f2

f1f1 f1f2f3

f2f3

f2f3

h1

h2

h3g1

g2

g3

h1

h2

h3g1

g2

g3g1

g2

g3

1 cluster de 3 cellules

1 cluster de 7 cellules

1 cluster de 3 cellulesAvec 3 antennes directives


86

Survol du cours

– Introduction! applications! définitions! challenges, histoire

– Transmissions sans fil! fréquences & régulations! signaux, propagation du signal,

antennes! Multiplexage et étalement de

spectre, modulation, systèmescellulaires


(Aloha, CSMA, DAMA, PRMA,MACA, collision avoidance,polling), CDMA

– Wireless LANs! Technologie de base! IEEE 802.11a/b/g, HIPERLAN,

.15, Bluetooth

– Broadcast Systems! DAB, DVB

– Protocoles réseau! DHCP! IP Mobile et micro-mobilité! Réseaux Ad-hoc

– Protocoles de Transport! Transmission fiable! Contrôle de flux! Qualité de Service

– Support de la mobilité


87

Accès au médium

! Motivation! SDMA, FDMA, TDMA! Aloha! Schémas de réservation! Eviter les collisions, MACA! Polling! CDMA! SAMA! Comparaison


88

Motivation

! Peut-on appliquer les méthodes d’accès des réseauxfilaires?

– Exemple CSMA/CD! Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection! Emission dès que le support est libre, écoute du médium pour voir si

des collisions se sont produites (méthode utilisée dans IEEE 802.3)

– Problèmes pour les réseaux sans fil! La puissance du signal diminue proportionnellement au carré de la

distance! L’émetteur peut appliquer CS et CD, mais les collisions peuvent se

produire au niveau du récepteur! Il se peut que l’émetteur ne puisse “entendre” les collisions, i.e. CD ne

fonctionne plus! De plus le mécanisme CS peut ne pas fonctionner, e.g., un terminal est

“caché”


89

Problème du terminal caché ou exposé

! Terminaux cachés– A émet à B, C ne peut recevoir de A– C veut envoyer à B, C détecte un support libre (CS échoue)– collision sur B, A ne peut détecter la collision (CD échoue)– A est “caché” pour C

! Terminaux exposés– B émet vers A, C veut envoyer vers un autre terminal (pas A ni B)– C doit attendre, le support est utilisé– mais A est hors de portée radio de C, aussi n’est il pas nécessaire pour

lui d’attendre– C est “exposé” pour B

BA C


90

Problème des terminaux proches et éloignés

– Terminaux A et B émettent à la même puissance, C reçoit! La puissance du signal décroît proportionnellement avec le carré de la

distance.

! Le signal du terminal B masque le signal de A. C ne peut recevoir lesignal de A

– Si C par exemple était un arbitre pour déterminer celui qui a le droitd’émettre, le terminal B masquant le signal du terminal A

– Ceci représente un problème sévère pour les réseaux CDMA.

– Un contrôle de puissance précis est donc nécessaire.

A B C


91

Méthodes d’accès SDMA/FDMA/TDMA

– SDMA (Space Division Multiple Access)! Segmente l’espace en secteurs, utilisé par les antennes directives

! structure de cellules

– FDMA (Frequency Division Multiple Access)! assigne une certaine fréquence à un canal de transmission entre un

émetteur et un récepteur

! permanent (e.g., diffusion radio), sauts de fréquence lent (e.g., GSM),rapide (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum)

– TDMA (Time Division Multiple Access)! assigne un canal de transmission à une fréquence donnée pour un

temps donné entre l’émetteur et le récepteur.

– Les schémas de multiplexage présentés précédemment sontmaintenant utilisés pour le contrôle d’accès au support


92

FDD/FDMA exemple du GSM

f

t

124

1

124

1

20 MHz

200 kHz

890.2 MHz

935.2 MHz

915 MHz

960 MHz


93

TDD/TDMA – exemple du système DECT

1 2 3 11 12 1 2 3 11 12

tdownlink uplink

417 "s


94

Aloha / Aloha discrétisé

– Mécanismes! aléatoire, distribué (pas d’arbitre central), multiplexage temporel

! Aloha discrétisé utilise des espaces de temps, chaque émission doittoujours débuter au début d’un intervalle de temps

Aloha

Slotted Aloha

émetteur A

émetteur B

émetteur C

collision

collision

t

t

émetteur A

émetteur B

émetteur C


95

Aloha / Aloha discrétisé

! Efficacité du canal si l’on considère une distribution depoisson pour l’arrivée et la longueur des paquets

! Aloha 18%! Aloha discrétisé 36%

! La réservation peut augmenter l’efficacité– Un émetteur réserve un futur intervalle– Émission dans les intervalles réservés est possible sans collision– réservation cause également de plus grand délai– Utilisés pour les liens satellites

! Exemples pour les algorithmes avec réservation :– Réservation explicite (Réservation-ALOHA)

– Réservation implicite (PRMA)

– Réservation-TDMA


96

DAMA : Réservation explicite

! DAMA - Demand Assigned Multiple Access– Réservation explicite (Réservation Aloha):

! deux modes:– Mode ALOHA pour la réservation:

compétition pour des intervalles de réservation petits, collisions possibles

– Mode réservé pour la transmission de données dans des intervallesréservés avec succès (pas de collisions possibles)

! Il est important que toutes les stations gardent une liste consistante desréservations à chaque instant, aussi il est nécessaire que ces stationsse synchronisent régulièrement.

Aloha reservé Aloha reservé Aloha reservé Aloha

collision

t


97

PRMA : réservation implicite

! réservation implicite (PRMA - Packet Reservation MA):– Un certain nombre d’intervalles forment une trame, les trames sont

répétées.– Les stations sont en compétition pour des intervalles vides à la manière

d’Aloha discrétisé– Une fois qu’une station réserve un intervalle avec succès, cet intervalle est

automatiquement assigné à cette station dans toutes les prochaines tramestant que la station a quelque chose à émettre.

– La compétition pour ces intervalles débutent dès que l’intervalle est videdans la trame précédente.

trame1

trame2

trame3

trame4

trame5

1 2 3 4 5 6 7 8 Intervalles de temps

collision lors deL’accès à la réservation

A C D A B A F

A C A B A

A B A F

A B A F D

A C E E B A F Dt

ACDABA-F

ACDABA-F

AC-ABAF-

A---BAFD

ACEEBAFD

réservation


98

Méthode d’accès RTDMA

! Réservation Time Division Multiple Access– Chaque trame consiste en N mini intervalles et x intervalles de données

– Chaque station a son propre mini intervalle et peut réserver jusqu’à kintervalles de données en utilisant les mini-intervalles. (i.e. x = N * k).

– Les autres stations peuvent envoyer leurs données dans les intervalles nonutilisés à l’aide d’un algorithme round-robin (trafic best-effort)

N mini-intervalles N * k data-slots

réservationspour les intervalles

de données

Les autres stations peuvent utiliser les intervalles libres en utilisant unSchéma round robin

e.g. N=6, k=2


99

MACA – éviter les collisions

! MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) utilise despetits paquets de signalisation pour éviter les collisions

– RTS (request to send) : un émetteur demande le droit d’émettre à unrécepteur en envoyant un court paquet RTS avant l’envoi d’unpaquet de données.

– CTS (clear to send) : Le récepteur accorde le droit d’émettre

! Un paquet de signalisation contient– L’adresse de l’émetteur– L’adresse du récepteur– La taille des paquets

! Des variantes de cette méthode peuvent être trouvées dansDFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) deIEEE802.11


100

MACA

– MACA évite le problème duterminal caché! A et C veulent envoyer à B

! A envoie d’abord un RTS

! C attend de recevoir unCTS de B

– MACA évite le problème duterminal exposé! B veut envoyer à A et C

vers un autre terminal

! Maintenant C n’a plus aattendre car il ne peutrecevoir des CTS de A

A B C

RTS

CTSCTS

A B C

RTS

CTS

RTS


101

Une variante de MACA : DFWMAC

oisif

Attente pour ledroit d‘émettre

Attente des ACK

Emetteur Récepteur

Paquets à envoyer; RTS

time-out; RTS

CTS; données

ACK

RxOccupé

oisif

Attente de données

RTS; RxOccupé

RTS; CTS

données;

ACK

time-out #

données;

NAK

ACK: acquittement positifNAK: acquittement négatif RxOccupé : récepteur occupé

time-out #

NAK;

RTS


102

Mécanismes de scrutation

! Si un terminal peut être entendu par tous les autres, ceterminal “central” (station de base) peut contrôler l’accès ausupport pour toutes les autres terminaux.

– Tous les schémas utilisés dans les réseaux fixes peuvent alors êtreutilisés

– Exemple: Randomly Addressed Polling! La station de base informe les terminaux que le support est libre! Les terminaux prêts à émettre, envoient alors un nombre aléatoire, sans

collision grâce à l’aide de CDMA ou FDMA (ce nombre aléatoire peutêtre vu comme une adresse dynamique)

! La station de base choisit une adresse dans la liste des nombresaléatoires pour lancer une invitation à émettre à cette station (il y acollision si deux stations choisissent le même nombre aléatoire)

! La station de base acquitte les paquets corrects et continuent tantqu’elle a des adresses dans sa liste

! Ce cycle recommence après que la liste des adresses a été parcourue


103

ISMA (Inhibit Sense Multiple Access)

! L’état actuel du support est signalé à l’aide d’une tonalitéoccupée “busy tone”

– La station de base signale sur le lien descendant (station de base –terminal) si le support est libre ou non

– Les terminaux ne doivent pas envoyer si le support est occupé

– Les terminaux peuvent accéder au support dès que la tonalitéoccupée s’arrête

– La station de base signale les collisions et les transmissionsréussies grâce à la tonalité et aux acquittements (il n’y a pas decoordination avec cette approche)

– Mécanisme utilisé e.g.,pour CDPD(USA, intégré dansAMPS)


104

CDMA

– CDMA (Code Division Multiple Access)! Tous les terminaux envoient sur la même fréquence en même temps et

peuvent utiliser toute la bande passante du canal de transmission! Chaque émetteur a un unique nombre aléatoire, l’émetteur XORs le

signal avec un nombre aléatoire! Le récepteur peut s’ajuster le signal s’il connaît le nombre pseudo

aléatoire, l’alignement est fait à l’aide d’une fonction de corrélation! Plus haute complexité du récepteur pour écouter les signaux! Tous les signaux doivent avoir la même puissance pour les récepteurs" Tous les terminaux peuvent utiliser le même canal de fréquence, pas

besoin de planification"forward error correction et encryption peuvent facilement être intégrés


105

CDMA en théorie

– Émetteur A! envoi Ad = 1, Clé Ak = 010011 (assigne : «0»= -1, «1»= +1)! Signal envoyé As = Ad * Ak = (-1, +1, -1, -1, +1, +1)

– Émetteur B! envoi Bd = 0, Clé Bk = 110101 (assigne : «0»= -1, «1»= +1)! Signal envoyé Bs = Bd * Bk = (-1, -1, +1, -1, +1, -1)

– Les deux signaux se superposent dans l’espace! interférence négligée (bruit etc.)! As + Bs = (-2, 0, 0, -2, +2, 0)

– Récepteur veut recevoir le signal de l’émetteur A! Appliquer la clé Ak bit par bit (produit interne)

– Ae = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) • Ak = 2 + 0 + 0 + 2 + 2 + 0 = 6– résultat plus grand que 0 ainsi le bit d’origine était «1»

! récepteur B– Be = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) • Bk = -2 + 0 + 0 - 2 - 2 + 0 = -6, i.e. «0»


106

CDMA I

données A

clé A

signal A

données &clé

Les systèmes réels utilisent des clés plus longues ce qui permet d’augmenter la distance entre les codes

1 0 1

10 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1

01 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0

Ad

Ak

As


107

CDMA II

signal A

données B

clé B

signal B

As + Bs

données & clé

1 0 0

00 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1

11 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1

Bd

Bk

Bs

As


108

CDMA III

Ak

(As + Bs) * Ak

Sortie del‘intégrateur

Sortie du comparateur

As + Bs

données A

1 0 1

1 0 1 Ad


109

CDMA IV

integratoroutput

comparatoroutput

Bk

(As + Bs) * Bk

As + Bs

données B

1 0 0

1 0 0 Bd


110comparator

output

CDMA V

Fausse clé K

integratoroutput

(As + Bs) * K

As + Bs

(0) (0) ?


111

SAMA - Spread Aloha Multiple Access

– Aloha a une très faible efficacité, CDMA requiert des récepteurs complexespour pouvoir recevoir les signaux des différents émetteurs avec des codesdifférents au même moment

– Idée : utiliser l’étalement de spectre avec seulement un simple code(séquence de chip) pour l’étalement pour tous les émetteurs accédant selonaloha

1émetteur A0émetteur B

0

1

t

Bande étroite

Envoi pour une périodeplus courte avec une

puissance plus forteÉtalement du signal à l’aide d’une séquence de chips 110101 (“CDMA sans CD“)

Problème : trouver une séquence avec de bonnes caractéristiques

1

1

collision


112

Comparaison SDMA/TDMA/FDMA/CDMA

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