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MEMOIRE de THESEDOCTORAT de LUNIVERSIT de TOULOUSE II

cole Doctorale Systmes

Spcialit : Gnie Informatique, Automatique et Traitement du Signal

Prsent par Monsieur Nicolas Fourty

Ingnieur Polytech'MontpellierMatre s Sciences Montpellier II

Contribution l'ingnierie du rseau sans fil WiMAX pour des applications audiod'aide au handicap et aux personnes ges

Thse soutenue le 25 Septembre 2008

Rapporteurs : Y. MOREAU Professeur (63) l'Universit Montpellier IIM. MISSON Professeur (27) lUniversit de Clermont-Ferrand

Directeur : T. VAL Professeur (61) l'Universit de Toulouse IICo-encadrant : P. FRAISSE Professeur (61) l'Universit Montpellier IIExaminateurs : L. REDON MCF (27) l'Universit de Toulouse II

G. PEROLLE Ingnieur de recherche - FATRONIKInvit : J J. MERCIER Professeur (27) l'Universit de Toulouse II

Universit de Toulouse ; UTM; LATTIS EA4155I.U.T de Blagnac - 1, Place Georges Brassens BP 6007331 703 Blagnac cedexTl : + 33 (0) 5 62 74 75 75Fax : + 33 (0) 5 62 74 75 87

LABORATOIRE LATTIS EA 4155Groupe SCSF

Systmes Communicants Sans Fil

Remerciements

Je remercie vivement Monsieur le Professeur Thierry Val, directeur adjoint du LATTIS, responsable du groupe derecherche SCSF et directeur de ma thse, d'avoir accept la direction de mes travaux. Je tiens le remercier toutparticulirement pour l'excellence de son accompagnement ainsi que pour la confiance qu'il m'a accord. Je luisuis tout particulirement reconnaissant pour son aide active tout au long de ces trois annes et demi de thse,pour sa prsence lors de chacun des rebondissements qu'ont subi mes travaux, ainsi que mon intgration auniveau de la recherche et de l'enseignement.

J'exprime galement ma gratitude Monsieur le Professeur Philippe Fraisse, co-encadrant de ma thse pour avoiraccepter de co-diriger les travaux entrepris. Je tiens le remercier vivement pour ses nombreux et pertinentsconseils prodigus tout au long de la thse. Je lui suis reconnaissant pour sa disponibilit et la confiance qu'il m'aaccord dans les ralisations industrielles sur le projet HEBE, ainsi que pour sa ractivit tmoigne durant cestrois annes.

Je tiens aussi exprimer ma reconnaissance Monsieur le Professeur Jean-Jaques Mercier, prcdent directeur dulaboratoire, pour m'avoir accueilli au sein d'ICARE et tmoign un grande confiance en m'ouvrant les portes desa famille. Je le remercie galement d'avoir accept l'invitation au jury.

Je remercie Messieurs les Professeurs Michel Misson et Yves Moreau pour l'intrt qu'ils ont tmoign mestravaux en acceptant de les rapporter et de participer au jury de la thse. Je remercie encore Madame LaurenceRedon, pour son attention et ses conseils ainsi que sa prsence au jury. Je remercie Monsieur Guillaume Perolle,ingnieur de recherche chez FATRONIK pour son aide technique dans le domaine de la perte d'autonomie et saparticipation au jury de la thse.

Je veux galement remercier tous les membre de l'quipe Eric, Fabrice, Jean-Franois, Laurent, Gilles, doctorants,post-doctorants et contractuels Adrien, Erwan, Cline, Youssef, Aziz, Ahcne, Tarik, Salim, ainsi que tous lesstagiaires, qui on contribu l'excellente atmosphre du laboratoire. Je tiens remercier particulirement tousceux avec qui j'ai partag mon bureau et qui ont rsist jour aprs jour mes humeurs et au ct obscur.

Je remercie galement Bernard Gilbert du LIRMM et Iraitz Manterola de chez FATRONIK pour leur aide et leurgentillesse durant la ralisation du prototype pour le projet HEBE.

Je remercie galement les membres des quipes du groupe de travail L2I pour leur aide et leurs encouragements.

Je remercie chaleureusement le personnel de l'IUT Blagnac, enseignants, techniciens, personnel administratifpour leur aide et l'intgration qu'ils m'ont accord lors de mes premiers pas dans le milieu de l'enseignement entant qu'ATER.

Je remercie affectueusement ma famille mes parents, grands parents, oncle et tantes, cousins... pour leur soutienmalgr le peu de temps leur consacrer.

Je remercie galement Christophe, Vincent, Fabrice, et tous ceux qui ont su me tmoigner leur amiti et leursoutien tout au long de cette thse.

Je remercie enfin trs affectueusement Nathalie pour sa confiance et son soutien malgr la distance qui nous aspar. Je tiens galement la remercier pour sa prsence, son affection et la force qu'elle a pu me communiquerdans les vnements heureux mais aussi les plus difficiles.

Table des Matires

Remerciements.....................................................................................................

Table des Matires...............................................................................................2

INTRODUCTION............................................................................................9

CHAPITRE 1 : L'tat de l'art............................................................................13

1 Les protocoles pour applications audio.................................................................141.1 La voix sur IP..........................................................................................................14

1.1.1 Historique et contexte......................................................................................141.1.2 La voix et la tlphonie sur IP...........................................................................15

1.1.2.1 La voix.....................................................................................................171.1.2.1.1 Les contraintes de la communication vocale.......................................171.1.2.1.2 La qualit du codec audio..................................................................18

1.1.2.2 Le protocole IP.........................................................................................191.1.2.2.1 Historique.........................................................................................201.1.2.2.2 Les champs du protocole IP...............................................................201.1.2.2.3 La qualit de service..........................................................................211.1.2.2.4 La fragmentation...............................................................................21

1.1.3 Les points cls de la VoIP..................................................................................221.1.3.1.1 Les dlais..........................................................................................231.1.3.1.2 La gigue de transmission....................................................................241.1.3.1.3 Les pertes..........................................................................................25

1.1.3.2 Bilan........................................................................................................261.2 La Signalisation.......................................................................................................27

1.2.1 Les protocoles de gestion et de contrle.............................................................271.2.1.1 RTP/RTCP..............................................................................................27

1.2.1.1.1 RTP..................................................................................................271.2.1.1.2 RTCP...............................................................................................28

1.2.1.2 Le protocole RSVP...................................................................................291.2.2 Le protocole H.323..........................................................................................31

1.2.2.1 Historique................................................................................................311.2.2.2 Principe de fonctionnement......................................................................311.2.2.3 Les lments du protocole.........................................................................33

1.2.2.3.1 Le Terminal ......................................................................................331.2.2.3.2 Le MCU ..........................................................................................331.2.2.3.3 La passerelle (Gateway)......................................................................341.2.2.3.4 Le portier (Gatekeeper).....................................................................34

1.2.2.4 Droulement dune communication H.323...............................................341.2.3 Le protocole d'initiation de session SIP.............................................................36

1.2.3.1 Les entits SIP..........................................................................................371.2.3.2 Droulement dune communication SIP....................................................37

Table des Matires

1.2.3.3 Les messages SIP.......................................................................................381.2.3.4 La scurit................................................................................................391.2.3.5 Bilan H323/SIP........................................................................................40

1.2.4 Skype...............................................................................................................401.2.4.1 Gnralits...............................................................................................411.2.4.2 Mode de fonctionnement [BAS]................................................................41

1.2.4.2.1 Les ports d'coute..............................................................................421.2.4.2.2 L'audio.............................................................................................421.2.4.2.3 Le chiffrement...................................................................................421.2.4.2.4 NAT et firewall.................................................................................42

1.2.4.3 tablissement d'une communication.........................................................421.2.4.4 Avantages/inconvnients de Skype.............................................................43

1.3 Conclusions.............................................................................................................43

2 Les technologies de communication sans fil..........................................................442.1 La classification des rseaux sans fil...........................................................................44

2.1.1 Les rseaux sans fil personnels (WPAN)............................................................462.1.1.1 Bluetooth.................................................................................................462.1.1.2 Ultra Wide Band UWB.........................................................................462.1.1.3 Zigbee......................................................................................................462.1.1.4 RFID.......................................................................................................47

2.1.2 Les rseaux locaux sans fil (WLAN)[MIS].........................................................482.1.2.1 Wi-Fi.......................................................................................................48

2.1.3 Les rseaux sans fil mtropolitains (WMAN) et les rseaux mobiles 3G..............492.1.3.1 WiMAX...................................................................................................502.1.3.2 Les rseaux mobiles de 3me gnration (3G)............................................502.1.3.3 MBWA....................................................................................................51

2.1.4 Les rseaux sans fil longue distance (WWAN).................................................512.1.4.1 L'Internet par satellite [PUJ].....................................................................51

3 Bilan..................................................................................................................52

CHAPITRE 2 : Prsentation des normes IEEE802.16 / WiMAX.......................53

1 La place du WiMAX dans le paysage sans fil [FOU5]............................................541.1 Historique et cibles..................................................................................................54

1.1.1 Rapide historique.............................................................................................541.1.2 Les cibles.........................................................................................................54

2 La technologie WiMAX.......................................................................................552.1 Gnralits..............................................................................................................552.2 IEEE 802.16 et WiMAX..........................................................................................552.3 La couche physique (Radio).....................................................................................57

2.3.1 Le principe de lOFDM [PRA].........................................................................59

2 Nicolas Fourty - Groupe SCSF LATTIS EA4155

Table des Matires

2.3.1.1 Gnralits...............................................................................................592.3.1.2 Avantages et inconvnients de l'OFDM.....................................................61

2.3.2 La couche PHY OFDM FFT 256 points...........................................................612.3.2.1 Caractristiques principales.......................................................................622.3.2.2 L'organisation des trames..........................................................................62

2.3.2.2.1 Le tramage en FDD..........................................................................642.3.2.2.2 Le tramage en TDD..........................................................................65

2.3.2.3 La modulation et le codage adaptatif (AMC).............................................662.4 La couche liaison ................................................................................................67

2.4.1 La sous-couche de convergence.........................................................................682.4.2 La sous-couche de contrle d'accs au mdium..................................................68

2.4.2.1 Le mcanisme d'accs au mdium..............................................................692.4.2.2 Le format de trame MAC..........................................................................692.4.2.3 La qualit de service..................................................................................70

2.4.2.3.1 UGS.................................................................................................712.4.2.3.2 rtPS..................................................................................................722.4.2.3.3 ertPS.................................................................................................722.4.2.3.4 nrtPS................................................................................................722.4.2.3.5 BE....................................................................................................72

2.4.3 La sous-couche de scurit................................................................................72

3 Comparaison des technologies Wi-Fi / WiMAX....................................................733.1 Au niveau radio.......................................................................................................733.2 Au niveau couverture...............................................................................................743.3 Au niveau QdS........................................................................................................743.4 Au niveau MAC......................................................................................................753.5 Bilan et objectifs......................................................................................................75

3.5.1 Conclusion de la comparaison..........................................................................753.5.2 La place de WiMAX dans les applications envisages.........................................76

CHAPITRE 3 : Modlisation et Simulation de la couche PHY WirelessMAN OFDM-256 de 802.16-2004..............................................................................79

1 Gnralits et modles des transmissions sans fil [PRA].........................................801.1 L'attnuation en espace libre : le pathloss [ABH].......................................................811.2 Les zones d'ombre : le shadowing.............................................................................821.3 L'vanouissement....................................................................................................82

1.3.1 Bande de cohrence et temps de cohrence d'un canal.......................................831.3.1.1 Bande de cohrence et talement temporel [BAU]......................................841.3.1.2 Effet Doppler et Temps de cohrence.........................................................85

1.3.2 Dualit temps frquence...................................................................................871.4 Les modles de canaux [CHA].................................................................................89

Contribution l'ingnierie du rseau sans fil WiMAX pour des applications audio d'aide au handicap et aux personnes ages 3

Table des Matires

1.4.1 Les modle statistiques.....................................................................................891.4.1.1 Le modle Rayleigh...................................................................................891.4.1.2 Le modle de Rice.....................................................................................90

1.4.2 Les modles empiriques....................................................................................911.4.2.1 Le modle de l'UIT..................................................................................911.4.2.2 Le modle de l'universit de Stanford (SUI)...............................................92

2 La Modlisation d'une chaine d'mission rception WiMAX [FOU4]....................922.1 L'outil de validation.................................................................................................93

2.1.1 Le brassage des donnes....................................................................................932.1.2 Le codage de canal et l'entrelacement................................................................94

2.1.2.1 Le codage de canal ou code correcteur d'erreur...........................................942.1.2.2 L'entrelacement........................................................................................96

2.1.3 La modulation et la cration du symbole OFDM..............................................972.1.4 Confrontation avec les vecteurs de tests.............................................................98

2.2 Proposition d'un modle de rcepteur.......................................................................992.2.1 La structure gnrale de notre modle...............................................................99

2.2.1.1 L'tage d'mission.....................................................................................992.2.1.1.1 La gnration des donnes.................................................................992.2.1.1.2 Le codage, l'entrelacement et la modulation.....................................100

2.2.1.2 Le canal de propagation .........................................................................1002.2.1.3 Le bloc de rception................................................................................101

2.2.2 Les mcanismes de test et de validation de notre chane d'mission/rception.. .1012.2.2.1 Validation de notre bloc de rception.......................................................102

2.2.3 La modulation adaptative...............................................................................1032.2.3.1 Estimation de la qualit du canal.............................................................103

3 Application du modle pour la transmission de donnes audio.............................1053.1 La diffusion audio sur rseau WiMAX....................................................................106

3.1.1 Les modifications du modle..........................................................................1063.1.2 L'analyse des fichiers audio.............................................................................107

3.1.2.1 Diffusion de fichiers audio non compresss..............................................1073.1.2.2 Diffusion de fichiers audio compresss.....................................................111

3.2 Bilan.....................................................................................................................114

CHAPITRE 4 : Applications et ralisations industrielles...................................117

1 Contexte de l'tude...........................................................................................1181.1 Le vieillissement de la population...........................................................................118

1.1.1 Le phnomne du vieillissement......................................................................1181.1.2 Les consquences du vieillissement..................................................................1191.1.3 Le processus de vieillissement [HAS]...............................................................120

1.2 Les technologies disponibles...................................................................................120


Table des Matires

1.2.1 Les grontechnologies.....................................................................................1201.2.2 Panorama des dispositifs [RIA2]......................................................................121

1.2.2.1 Audition, visiophonie et isolement social.................................................1221.2.2.1.1 La dficience auditive......................................................................1221.2.2.1.2 Un nouveau lien social.....................................................................1221.2.2.1.3 La tlconsultation..........................................................................123

1.2.2.2 Troubles cognitifs....................................................................................1231.2.2.2.1 Les troubles de la mmoire...............................................................1241.2.2.2.2 Les systmes de stimulation cognitive...............................................124

1.2.2.3 Fugue et errance.....................................................................................1241.2.2.4 Les robots domestiques...........................................................................125

1.2.2.4.1 L'angoisse du malade ......................................................................1251.2.2.4.2 La domotique..................................................................................126

1.2.2.5 Chute et troubles de lactivit motrice......................................................1261.2.2.5.1 Les dtecteurs de chutes...................................................................1261.2.2.5.2 Les systmes de suivi d'activit.........................................................1271.2.2.5.3 L'assistance la marche....................................................................127

2 Le projet HEBE................................................................................................1272.1 Les objectifs du projet ...........................................................................................1282.2 Prsentation du consortium....................................................................................129

2.2.1 Recherche et dveloppement...........................................................................1292.2.2 La mise en uvre et le suivi du produit...........................................................1302.2.3 La communication et le design........................................................................130

2.3 Les verrous technologiques.....................................................................................1302.3.1 Le mcanisme dcisionnel...............................................................................1302.3.2 La transmission d'alarme et du suivi d'activit.................................................1302.3.3 La leve de doute............................................................................................131

2.4 Prsentation du prototype......................................................................................1312.4.1 La classification pour le suivi d'activit [FOU3]...............................................1312.4.2 Localisation et transmission de donnes...........................................................133

2.5 L'exprimentation du prototype.............................................................................134

Conclusion et perspectives...............................................................................135

1 Conclusion.......................................................................................................135

2 Perspectives.......................................................................................................136

Annexe 1 : Les systmes de golocalisation par satellites....................................139

1 Principe de fonctionnement...............................................................................1391.1 Temps de propagation des signaux GPS..................................................................140


Table des Matires

1.2 Distance entre le satellite et le rcepteur..................................................................1401.3 Localisation...........................................................................................................1401.4 Les erreurs de localisation.......................................................................................141

2 La technologie GPS...........................................................................................1422.1 Le segment spatial..................................................................................................143

2.1.1 Les satellites...................................................................................................1432.1.2 Les signaux GPS.............................................................................................144

2.2 Le segment contrle...............................................................................................1442.3 Le segment utilisateur............................................................................................145

3 Galileo [GAL]...................................................................................................145

Glossaire et acronymes.....................................................................................147

Index des figures..............................................................................................149

Index des tableaux...........................................................................................151

Bibliographie..................................................................................................152


INTRODUCTION

Ces dernires annes ont vu de nombreux changements se drouler dans le paysage des communications sans fil. Que cela soit sur le plan technologique, politique, financier ou humain les positions industrielles ont visiblement volu. Les questions videntes sont quels sont ces changements ? Que nous apportent -ils ? Quels vont tre leurs effets ? Vers quel avenir allons-nous?

Nous entendons par volution le fait que les dernires prouesses technologiques arrivent aujourd'hui de plus en plus tt dans la main du consommateur, l'image du tlphone portable. De ce fait, de nouvelles exigences sont apparues. Ainsi, lors de tous ses dplacements, ce consommateur attend de pouvoir faire fonctionner son produit technologique n'importe o et n'importe quand, tout en disposant de services permanents toujours plus nombreux.

Ces attentes ont donn naissance un besoin d'interoprabilit grandissant que les trop nombreuses implmentations industrielles propritaires (tlcommandes, liaisons radio 866 MHz) avaient restreintes pour des raisons politiques ou financires. Les standards et en particulier dans le domaine des communications sans fil, ceux de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), de l'Union Internationale des Tlcommunications (UIT), et de l'European Telecommunications Standards Institute (ETSI) ont jou un rle dterminant dans l'adoption des nouvelles technologies sans fil. Un autre rle dterminant a t celui des industriels, regroups en consortium, qui ont su par le respect plus ou moins strict de ces standards imposer des normes industrielles comme Bluetooth et Wi-Fi.

Aujourd'hui, les seules limites l'adoption massive d'un standard de technologie sans fil au niveau international, ne sont pas technologiques mais bel bien d'ordre conomique et politique. En effet, bien que ces standards aient une vocation internationale, ils ne peuvent parfois tre dvelopps qu'en partie. C'est le cas du standard de l'IEEE 802.16 pour lequel les bandes de frquences envisages ne peuvent pas tre libres par tous les pays. Et mme lorsque le rgulateur national le permet, il en limite parfois les applications. L'exemple en France est la limitation des licences attribuant la bande des 3,4 3,6 GHz qui n'autorise pas une utilisation mobile malgr l'amendement 802.16e ayant pour sujet la mobilit.

Intel qui est l'un des plus importants fondeurs de semi-conducteurs, attend beaucoup des standards 802.16 et de la norme WiMAX. Il a beaucoup investi pour le dveloppement de cette norme et reste trs actif au sein du consortium d'industriel ayant pour tche de promouvoir le dveloppement de la norme. Trs actif sur le continent asiatique, ce dernier a encore investi en avril 2008 500 M$ pour le march Tawanais [LAM]. En effet, ce continent et notamment la Chine et l'Inde sont des cibles privilgies par les industriels pour leur fort potentiel de dveloppement.


INTRODUCTION

C'est dans ce contexte de standardisation et de dveloppement industriel rapide, que nous avons entrepris cette thse. A l'heure o le dveloppement des produits technologiques est de plus en plus rapide, les ingnieurs ont des besoins croissants d'outils qui les aident concevoir et implmenter les dernires amliorations issues du monde de la recherche. Le premier objectif de cette thse se veut d'tre une aide l'ingnierie par la validation de la conformit un standard. L'outil prsent dans cette thse, fournit l'ingnieur, une traduction en blocs fonctionnels qui peuvent tre modifis chaque volution ou amendement du standard.

La deuxime volution majeure lie au dveloppement des communications sans fil ou non est la modification du lien familial vers toujours plus de mobilit. En effet, le modle d'entraide familiale est de plus en plus laiss de ct, plus ou moins volontairement, par un march du travail toujours demandeur de plus de flexibilit. Les communications et particulirement les communications sans fil ont particip ce phnomne en cassant les liens de proximit. Cependant, elles tentent dsormais de se racheter une conduite en proposant de recrer un lien social l'aide par exemple de vido ou d'audio-confrences.

Plac dans le contexte d'un vieillissement de la population, la rupture des liens familiaux prend un caractre d'autant plus important que les personnes ges et/ou handicapes, particulirement demandeuses de services la personne semblent laisses pour compte. Alors que les progrs de la technologie mdicale ont permis une augmentation notable de la dure de vie moyenne, le lien social et les communications inter gnration se sont progressivement dgrades.

Cependant une vie plus longue ne signifie pas pour autant une vie plus heureuse. Il s'agit certes d'une rflexion philosophique mais qui prend son sens ds que l'on touche au vivant . Les grontechnologies essayent de rendre ce gain d'esprance de vie plus agrable, plus humain la fois pour la personne ge mais aussi pour la famille et les aidants. Ces grontechnologies, prennent diffrents aspects : certains accompagnent le patient en fin de vie, d'autres peuvent surveiller son tat, alors que d'autres ont pour but de les aider dans leurs tches quotidiennes.

Un des chapitres de cette thse dresse un bilan de ces technologies et prsente comment elles sont employes et quel stade elles en sont. Il insiste particulirement sur les technologies qui favorisent le maintien domicile de personnes ges. Les initiatives cites ne sont que des exemples parmi les projets nationaux et internationaux qui sont actuellement mens sur le sujet. Le projet industriel HEBE soutenu par la Commission Europenne en est un exemple qui associe l'accompagnement et le suivi du patient. Permettant de suivre l'activit et la chute des patients, tout en communiquant sa position et en maintenant une communication radio, le projet HEBE nous a permis de concevoir un prototype fonctionnel qui est galement abord dans le dernier chapitre.

Alors finalement o allons-nous ? Aprs s'tre pench sur le point de vue philosophique, la vue conomique nous rattrape. Il est parfaitement clair que ce genre de technologie a pu voir le jour car il y a un rel intrt conomique maintenir les personnes ges leur domicile. Les industriels l'ont bien compris et c'est aujourd'hui une vague de projets de recherche concernant ce secteur qu'on voit aboutir par des implmentations concrtes.

Cette ralit conomique est celle qui a notamment pouss de nombreuses entreprises l'utilisation de la voix sur IP. Dans un monde o la communication devient omniprsente (vidoconfrence, mobilit, ...) avec le dveloppement d'Internet, les infrastructures rseaux dveloppes ont permis de faire voluer


INTRODUCTION

rapidement les communications terrestres, et cela notamment grce au traitement numrique de la voix et l'utilisation de protocoles adapts dont quelques uns sont dtaills dans cette thse.

Nous avons dcid, dans cette thse sur les communications sans fil, de nous concentrer sur la transmission de la voix. La voix, vue comme moyen de communication possde des avantages et des inconvnients. D'un ct la continuit de la parole et les temps de silence en font des donnes particulirement contraignantes transmettre sur un rseau, d'autant plus si un mdium radio est utilis. D'autre part, sa continuit en fait le moyen de communication privilgi des personnes ges par la prsence de l'interlocuteur qui rassure le patient.

Cette voix prsente dans le manuscrit semble nous rpondre que nous allons indniablement vers toujours plus de communication entre les tres humains. La communication orale autour de laquelle est construite cette thse reprsente le lien entre les valeurs que l'on souhaite transmettre et la ralit laquelle nous sommes confronts. Car il s'agit l d'un des plus anciens moyens de transmission des connaissances et du savoir. Ce lien, la fois fragile et puissant, est l'un point des points essentiels abords dans ce mmoire.

Le manuscrit est dcoup en quatre chapitres. Les trois premiers prsentent les recherches et les outils proposs par cette thse, alors que le dernier chapitre aborde les applications industrielles qui ont t dveloppes pendant la thse, dans le contexte de l'aide au handicap et aux personnes ges.

Le chapitre 1, par un tat de l'art avanc sur les protocoles pour applications audio ainsi qu'une photographie des rseaux sans fil actuellement disponibles, plante le contexte technologique et scientifique. Ce contexte semble plus que favorable la transmission de la voix numrise en mode paquet. Dans ce chapitre sont abords les principes du traitement numrique de la voix et de ses contraintes lors de sa transmission sur un rseau sans fil. Pour faire face ces contraintes de nombreux protocoles pour applications audio existent. Quelques uns, parmi les plus utiliss sont prsents dans ce chapitre. Enfin, le chapitre se conclut par un panorama des technologies de communication sans fil. La classification suivant leur objectif de couverture radio qui en dcoule nous permet de porter un regard vers les technologies mtropolitaines et plus spcifiquement la norme WiMAX aborde dans le second chapitre.

Le chapitre 2 est entirement consacr au standard 802.16 et la norme WiMAX. Aprs un rapide historique du contexte de son dveloppement et des volutions du standard, une description dtaille de la technologie WiMAX est prsente. Les interfaces physiques (PHY) et de gestion de l'accs au mdium (MAC), dcrites par le standard sont dtailles. Une attention particulire est porte la couche PHY WirelessMAN-OFDM 256, destine une utilisation dans la norme WiMAX dite fixe . Le chapitre se termine par la comparaison de ce standard avec la norme Wi-Fi (802.11). Ces deux standards mis en concurrence pour leur utilisation en temps que rseau d'accs ( Internet), possdent certes des ressemblances mais nous prfrons mettre en avant les diffrences et la complmentarit de ces deux standards.

Aprs avoir fait un bilan des tudes mener en fin de chapitre 2, le chapitre 3 commence l'tude du premier axe de recherche identifi, en se concentrant sur la modlisation et la simulation de la couche physique WirelessMAN-OFDM 256. Les travaux dvelopps proposent deux outils d'aide la conception de systmes WiMAX. Le premier est un outil de validation permettant de certifier la conformit au standard 802.16-2004. Dvelopp sous l'environnement Matlab Simulink, possdant des bibliothques capables d'adapter le code des composants matriels de type FPGA, l'outil de validation peut rapidement


INTRODUCTION

tre implment sur du matriel. Le deuxime outil est un modle de simulation de transmission de donnes sur un rseau WiMAX. Dans notre thmatique nous avons cherch les paramtres optimaux pour la diffusion de morceaux audiophoniques sur un rseau WiMAX.

Toujours dans notre thmatique, le dernier chapitre se concentre sur les applications dans le contexte du traitement du handicap et de l'aide aux personnes ges. La premire partie de ce chapitre dpeint la situation actuelle, en dtaillant la problmatique du vieillissement de la population dans les pays dvelopps, et dresse le bilan des dispositifs technologiques disponibles ou actuellement en projet pour tenter de rsoudre des problmes comme le maintien domicile par exemple. C'est dans cette perspective que s'inscrit le projet HEBE auquel est associ cette thse. La deuxime partie du chapitre prsente le prototype de suivi d'activit, implment dans le cadre du projet HEBE pour le maintien domicile des personnes ges.

Une conclusion gnrale sur la transmission de la voix sur un rseau WiMAX et les outils dvelopps vient ponctuer ce mmoire. Quelques perspectives sont galement abordes quant aux utilisations de ces outils et aux futures amliorations du projet HEBE.


CHAPITRE 1 : L'tat de l'art

Dans ce chapitre 1, nous traitons des caractristiques de la voix et des possibilits qu'offre le traitement du signal pour transmettre celle-ci. La premire partie aborde les difficults rencontres lors de la transmission de la voix et plus particulirement lorsque le rseau utilis fonctionne en mode paquet (VoIP). La deuxime partie se concentre, sur les contraintes supplmentaires des supports de transmission sans fil prendre en compte pour une transmission optimale.

1 Les protocoles pour applications audio.............................................................14

1.1 La voix sur IP...................................................................................................141.1.1 Historique et contexte...........................................................................................141.1.2 La voix et la tlphonie sur IP................................................................................151.1.3 Les points cls de la VoIP......................................................................................22

1.2 La Signalisation................................................................................................271.2.1 Les protocoles de gestion et de contrle.................................................................271.2.2 Le protocole H.323...............................................................................................311.2.3 Le protocole d'initiation de session SIP..................................................................361.2.4 Skype...................................................................................................................40

1.3 Conclusions.....................................................................................................43

2 Les technologies de communication sans fil......................................................44

2.1 La classification des rseaux sans fil....................................................................442.1.1 Les rseaux sans fil personnels (WPAN).................................................................462.1.2 Les rseaux locaux sans fil (WLAN)[MIS]..............................................................482.1.3 Les rseaux sans fil mtropolitains (WMAN) et les rseaux mobiles 3G...................492.1.4 Les rseaux sans fil longue distance (WWAN)......................................................51

3 Bilan...............................................................................................................52


1 Les protocoles pour applications audio

1 Les protocoles pour applications audioBien souvent, de par l'intgration du tlphone dans la vie sociale moderne, la communication audio

est le moyen de communication favori des personnes ges. Ses avantages sont multiples : utilisation intrieure/extrieure, contact rassurant, prise en compte de la situation par les secours. Son inconvnient majeur est qu'il est ncessaire que la personne soit consciente pour recevoir l'appel ou donner l'alarme (angoisse, malaises). Il est galement possible d'envisager une communication visiophonique couple bien que son utilisation soit moins coutumire pour la personne ge et que les cots de mise en uvre soit plus importants.

Dans ce paragraphe, nous traitons des protocoles de communications pour le transport d'informations de type audio. Suivant le choix de la topologie et les contraintes imposes, nous allons devoir slectionner parmi les protocoles disponibles, selon leurs caractristiques et leurs contraintes dutilisation, celui qui sera le plus mme de convenir notre application.

1.1 La voix sur IPLobjectif de cette partie est davoir un point de vue gnral sur les protocoles notre disposition pour

raliser de la voix sur IP (VoIP). Pour cela et dans un premier temps, il est ncessaire de comprendre le fonctionnement de la voix sur IP ainsi que de la tlphonie sur IP (ToIP) afin den saisir les enjeux. Dans un second temps, il va falloir dfinir les applications afin de pouvoir cerner les contraintes qui vont venir encadrer ces protocoles.

1.1.1 Historique et contexteDans un contexte o lInternet devient omniprsent, le tlphone comme moyen de transmission de

la voix reste le moyen de communication entres personnes physiques le plus apprci. Bien que la majorit du dbit total sur les lignes de tlcommunication soit important, le trafic gnr par le transport de la voix ne reprsente qu'une trs faible partie des informations vhicules sur Internet. Trs convivial, le contact auditif permet de rapprocher les gens tout en restant simple d'utilisation.

Les utilisateurs du tlphone ont, depuis sa cration, pay leurs communications en fonction de la dure et de la de distance de leurs appels. C'est cet aspect financier qui est l'origine de l'engouement pour la tlphonie sur IP. Il s'agit en fait d'une rvolution au niveau des tarifs qui s'annonce (la gratuit totale ou jusqu' un certain volume de donnes des appels en France pratique par de nombreux fournisseurs d'accs Internet) et le passage vers la tlphonie sur IP parat inluctable. Dj oprationnelle, la tlphonie sur Internet reste actuellement de qualit moyenne, mais de plus en plus d'efforts sont faits dans la direction d'une augmentation de la qualit et une diminution du prix.

Le vritable objectif de la voix sur IP consiste combiner sur un mme rseau la voix, les donnes et ventuellement la vido afin d'intgrer les services dj disponibles pour les donnes tout en envisageant de nouvelles applications. Les exemples types de ces applications sont les Messenger de Yahoo et Microsoft largement utiliss aujourd'hui. Ils permettent en une seule application d'intgrer une messagerie pour envoyer indiffremment des messages lectroniques instantans ou non ainsi que de passer des appels en utilisant la VoIP.



Les premiers logiciels de tlphonie apparaissent en 1995, et offrent la possibilit de tlphoner lautre bout du monde pour le prix dune conversation locale, en utilisant l'Internet. Les oprateurs de tlcommunications pensent alors que la qualit de la parole tlphonique, surtout prise en charge par les rseaux commutation de circuits, ne pourrait tre associe un rseau utilis en best effort . La voix sur IP consiste mettre en uvre les techniques dveloppes par et pour les tlcoms sur un rseau commutation de paquets. A cet gard, une normalisation de la signalisation est donc ncessaire pour garantir l'interoprabilit des quipements qui restent alors incompatibles entre eux. Microsoft lance en 1996 le logiciel de visioconfrence : Netmeeting. Netscape le concurrent du moment tente alors d'imposer le logiciel CoolTalk. Les deux technologies tant incompatibles entre elles, aucune des deux n'arrive prendre le pas sur l'autre. Microsoft s'investit alors plus lourdement dans les groupes de travail et de standardisation UIT et IETF qui crent la mme anne le standard de signalisation H.323. Netmeeting le supporte immdiatement et impose ce standard au monde IP.

En 1997, l'IETF labore un nouveau standard de signalisation SIP (Session Initiation Protocol) plus adapt au protocole IP. L'engouement des industriels pour H.323 trs proche des techniques de tlcommunications du moment entraine SIP dans un tat de somnolence. Aujourd'hui, le rveil de ce protocole semble se confirmer avec l'apparition de terminaux lgers SIP et son utilisation sur les passerelles de rseaux tendus. L'exemple de ce rveil rcent est son utilisation par le rseau de l'oprateur franais Free (Groupe Illiad ) pour les communications VoIP.

De nombreuses organisations ont ds lors pris part l'laboration de standards gnraux pour dcrire toutes les possibilits d'utilisation de la VoIP. Ils se sont regroups au sein d'un groupe de travail de l'UIT.

On trouve parmi les organismes de normalisation s'tant pench sur la VoIP :

l'UIT,

l'IETF (Internet Engineering Task Force). Plusieurs groupes de rflexion et de normalisation sur les thmes technologiques relatifs la VoIP existent au sein de l'IETF. Les documents labors par ce groupe sont appels RFC (Request For Comment).

l'ETSI,

l'IMTC (International Multimedia Teleconferencing Consortium),

l'ISOC (Internet Society) : promotion de linterconnexion et de lchange dinformations bas sur les technologies IP.

1.1.2 La voix et la tlphonie sur IPTechniquement, le transport de la voix sur Internet ne diffre pas fondamentalement des mthodes

employes pour les autres types de donnes. Utiliser le protocole IP pour acheminer de la voix signifie simplement que l'information va tre numrise puis les donnes seront divises en paquets . Le principal intrt de ce mode de transmission est que la bande passante disponible peut tre utilise par tous les utilisateurs du rseau contrairement la commutation de circuit (RTC) o l'intgralit de la bande est consacre chacune des communications par la ralisation d'un circuit indpendant. Une fois les donnes mises en paquets, il faut encore les transporter. Ce transport peut tre fait de diffrentes manires en utilisant des rseaux htrognes, il est alors ncessaire d'utiliser un protocole, de prfrence normalis



(nous en dcrivons trois dans la suite) pour une interoprabilit maximale, afin de transmettre l'information.

Du point de vue utilisateur, on distingue plusieurs faons diffrentes d'utiliser la voix sur IP. La distinction s'effectue principalement selon l'appareil utilis pour mettre ou recevoir des appels.

La premire utilisation, dite PC to PC (Fig.1) dsigne les procds permettant d'appeler un correspondant disposant d'un ordinateur (et non d'un tlphone), partir d'un autre ordinateur. Cette solution possde comme principal avantage de n'entrainer aucun cot supplmentaire par rapport au tarif du transfert de donnes. Les paquets correspondant la voix ne sont pas distingus des paquets de donnes circulant sur le rseau. Cependant, son inconvnient principal est celui de l'interoprabilit car les deux correspondants doivent utiliser les mmes protocoles de codage et de transport de la voix. Cela se traduit bien souvent par l'obligation d'utiliser le mme logiciel applicatif bien que des logiciels comme Xlite, Jabbin, Miranda ouvrent la voie des clients VoIP multiprotocolaires.

A l'inverse, le PC to phone (Fig.2) dsigne une utilisation plus large. Cette utilisation a pour but de se rapprocher de la tlphonie classique, tout en tirant parti de l'Internet. Cette solution implique un cot plus lev li l'utilisation du rseau commut, mais bnficie de tarifs trs infrieurs ceux pratiqus par les oprateurs de tlphonie classique. L'un des acteurs importants dans ce domaine est par exemple Skype, La communication est achemine successivement via le rseau de l'oprateur de l'appelant, puis si ncessaire via l'Internet public, jusqu' un point de prsence situ aussi prs que possible du destinataire. L'appel est alors transform en appel tlphonique classique, en bnficiant du tarif local du lieu de destination.

Enfin, le Phone to Phone (Fig.3) est vritablement de la tlphonie sur IP (ToIP). Le combin tlphonique est raccord au rseau et peut mettre et recevoir des appels vers et depuis n'importe quel autre combin. En France, ce type d'offre est rcent. Les fournisseurs d'accs Internet proposent tous de telles offres. L'oprateur Free avait ouvert la voie en affichant ds 2004 une offre de tlphonie sur IP


Figure 2 : VoIP "PC to phone"

Figure 1 : VoIP "PC to PC"


ses abonns qui disposent d'une Freebox. Cette dernire exploite le modem ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line), auquel se branche un combin tlphonique classique sans aucun logiciel complmentaire.

Pour l'utilisateur, l'avantage principal de la tlphonie sur IP provient des tarifs rendus possibles par l'utilisation de l'Internet pour acheminer les communications. Cependant, le gain en termes de services associs est galement considrable. Les utilisateurs peuvent notamment utiliser les possibilits de conversations simultanes, ou associer leur conversation des outils visuels (tableau blanc, images) ou tout autre fichier partag. Si la voix sur IP a souffert ses dbuts d'une dsaffection lie une qualit de communication variable et trs souvent infrieure celle du tlphone, la gnralisation du haut dbit et les progrs en termes de codage et de compression de la voix rendent chaque jour la VoIP plus attractive par rapport aux communications tlphoniques classiques.

Nous allons maintenant dgager les caractristiques intrinsques de la VoIP qui sont dune part celles de la voix et celles du protocole IP. Le protocole IP nayant pas t cr pour ce genre dapplication, nous nous efforcerons dans les prochains paragraphes de dcrire la problmatique de lutilisation de ce protocole pour des applications audio.

1.1.2.1 La voix

1.1.2.1.1 Les contraintes de la communication vocale

La difficult principale de la tlphonie par paquets provient des contraintes temporelles fortes dues l'interaction entre les individus qui communiquent. Le systme de communication vocal est bas sur les ondes acoustiques (compression puis dilatation des molcules d'air) de frquences diffrentes. Le spectre des frquences perues par loreille humaine stale de 100 Hz 20 kHz. Cette bande de frquence, peut tre rduite si lon considre seulement les frquences utiles pour la comprhension de la voix. On considre gnralement que la voix se situe dans la bande 300-3400 Hz. C'est la bande couramment utilise par le tlphone standard et c'est cette bande qui distingue les produits Hi-fi (High Fidelity)o le son est restitu dans la quasi totalit des frquences audibles et les produits destins la restitution de la voix. Ces dernires annes, les amliorations en termes de qualit de restitution audio se sont acclres passant de la FM (Frequency Modulation) stro la Hi-fi et offrant pour les enregistrements numriques de type CD une qualit sonore quasi parfaite.

Une conversation entre deux personnes se doit de respecter deux principes : l'intelligibilit et l'interactivit. Bien que le fait de couper la parole quelquun ne soit pas d'usage, il s'agit d'un indice dinteractivit et de dialogue. En termes de transmission numrique, cela se traduit par le terme duplex. Une conversation full duplex assure cette interactivit car chacun des interlocuteurs peut parler en mme


Figure 3 : VoIP "phone to phone"


temps. Le mode half-duplex implique lui, une conversation unidirectionnelle o chaque locuteur parle son tour en suivant des codes tablis l'avance.

Cette interactivit implique des notions de dlais dans le transport de la voix. Les mesures effectues montrent quune latence infrieure 150 ms garantit un dialogue interactif. Jusqu 400 ms le dialogue reste tout de mme assez ractif. Au-del de cette limite, le locuteur aura limpression de parler dans le vide.

D'autre part, un autre phnomne intervient dans la transmission de la voix. L'cho est le dlai entre l'mission d'un signal et la rception de ce mme signal qui au contact du combin rcepteur rintroduit vers l'metteur une partie de l'onde sonore mise par le rcepteur. La valeur normalise de l'cho est de 56 ms. Cette latence maximale correspond au temps aller-retour maximal pour qu'il n'y ait pas de gne auditive. Il est donc ncessaire pour les communications que la latence de transmission pour un aller simple soit infrieure 28 ms, en supposant que le temps retour soit le mme. Au-del, l'interlocuteur s'entendra parler avec un retard. La contrainte au niveau des quipements terminaux ou des logiciels dans le cas d'utilisations PC to PC va tre de grer ces retards afin de supprimer l'cho en le resynchronisant avec la parole originale. Pour rsoudre ce problme, la plupart des quipements modernes utilisent des systmes suppresseurs d'cho (traitement numrique du signal).

1.1.2.1.2 La qualit du codec audio

La plupart des sons issus du monde rel sont trs complexes et sont donc trs difficile reproduire fidlement. D'autre part, les diffrences entre les sons originaux et reproduits ne sont de plus pas forcment reconnaissable par l'oreille humaine. C'est pourquoi la majorit des codecs (COmpressor/DECompressor) audio se basent sur des modles de psychoacoustiques afin d'liminer certaines informations qui ne sont que trs faiblement perues par une oreille humaine.

De plus,avant d'tre encapsule dans les paquets IP, la voix est code et compresse. Cependant, les mcanismes classiques de compression de donnes afin de transmettre un volume minimal d'information pour une mme information restitue ne s'appliquent pas bien la voix. De part son caractre trs fluctuant, le signal vocal est sujet de fortes variations de frquences et d'amplitude (dynamique), ce qui rend difficile la restitution d'un signal correct. De ce fait, la plupart des codecs ddis la voix choisissent une compression avec pertes. Les codecs rcents utilisent un Codage Linaire Prdictif (LPC Linear Predictive Coding) qui permettent par un modle de la source audio (cavit buccale, nasale, pharynx) ainsi que des phonmes d'estimer le prochain chantillon en utilisant une prdiction linaire.

La taille du paquet est un compromis entre la ncessit de rduire le dlai de transmission et loptimisation de la bande passante. Cependant, avant cela, la voix doit tre numrise et pour cela trois oprations sont ncessaires.

Tout d'abord l'chantillonnage consiste choisir des points du signal analogique tout au long de la communication. Plus il y a d'chantillons, meilleure sera la restitution du signal. Cependant, il faut toutefois noter qu'une augmentation du nombre d'chantillons se traduit par un spectre de restitution plus large et va vers une quantit d'information plus importante transporter par le rseau. Dans le cas de communications tlphoniques, la frquence haute de la voix tant de 3400 Hz, le thorme de Shannon nous dit qu'il faudra chantillonner le signal au moins 6800 Hz.



Le deuxime processus est celui de la quantification. Ce mcanisme consiste attribuer une valeur chaque chantillon. Il est ncessaire pour cela de choisir une loi de correspondance souvent semi-logarithmique.

Enfin le codage consiste convertir la valeur des chantillons issue de la quantification en une valeur numrique acheminable par le signal numrique.

En gnral, les techniques de codage offrant des faibles dbits exigent des temps de traitement plus longs, augmentant ainsi le dlai de transit. Bien que l'chantillonnage standard de la voix tlphonique soit de 8 kHz nous donnant pour le G.711 cod sur 8 bits un dbit de 64 kbit/s, les nouvelles applications de tlphonie sur IP ont pouss vers l'amlioration gnrale des codecs audio en direction de codages ne ncessitants que trs peu de dbit(de l'ordre de 4 16 kbit/s). Cette rduction du dbit ncessaire se traduit quelques fois par une perte de qualit. Pour caractriser la qualit du codec, le critre de notation MOS (Mean Opinion Score) ou note moyenne d'opinion standardis par l'UIT [P800], classe de 0 5 dans l'ordre croissant les codecs en cinq grandes classes : mauvais, mdiocres, moyens, bons, excellents. La figure 4 regroupe diffrents codecs audio (rfrence haute : voix non compresse) [PUJ]. Un critre galement important lorsque la VoIP fait intervenir des rseaux sans fil est la rsistance du codec la perte de paquets. En effet, ce critre note le comportement de la qualit d'coute du signal reu en fonction de la perte de paquets qui peut tre importante sur le rseau. Ce point est particulirement mis en avant par le codec iLBC utilis par de nombreux logiciels de VoIP tels que Skype et Asterisk. Nous noterons aussi l'utilisation de plus en importante du codec HE-AAC (High Efficency Advanced Audio Coding) tir du standard MPEG-4 destin la restitution de signaux musicaux bas dbit (


associ aux protocoles TCP et UDP pour le niveau message avec lesquels ils forment un empilement protocolaire prenant en charge les couches 3 5.

1.1.2.2.1 Historique

A la fin des annes 60, le dpartement de la Dfense des Etats-Unis, tente de raliser un grand rseau en interconnectant les diffrents rseaux des sites militaires de manire totalement indpendante. De l vient le nom Internet (InterNetwork). Le principe alors choisi est de crer un rseau maill capable de ne pas pnaliser le transport de donnes si une partie du rseau est dtruite. L'architecture de ce rseau impose que les donnes achemines doivent avoir la capacit dtre routes afin de trouver un chemin possible vers la destination. Cest pourquoi le rseau Internet actuel bas sur IP est constitu dun grand nombre de routeurs permettant aux donnes datteindre leur destination. Ces organes permettent d'aiguiller les donnes suivant un chemin calcul dynamiquement l'aide d'algorithmes de routages (AODV, OLSR, RIP, ...).

1.1.2.2.2 Les champs du protocole IP

Le protocole IP appartient la couche 3 du modle OSI. Le principe repose sur l'ide de demander tous les rseaux qui veulent faire partie du rseau tendu d'utiliser un type de paquet unique de format bien dtermin. Il est totalement indpendant des couches sous-jacentes, c'est dire qu'on ne se soucie pas de la faon dont les liaisons entre nuds sont fabriques, ni du mdium de communication. Cest un


Tableau 1 : Les champs d'IP


protocole simple qui ne met pas en uvre de contrle derreur. Les paquets sont donc ainsi transfrs d'une entit l'autre selon l'interprtation d'une adresse.

Toute donne transmise au format de paquet IP doit possder une adresse source et une adresse de destination. Ces donnes peuvent ensuite atteindre leur destination en empruntant n'importe quel chemin disponible. Les autres fonctions du protocole sont le routage qui consiste dterminer une route vers la destination, la fragmentation qui consiste au dcoupage de paquets de taille spcifi par le rseau emprunt et enfin la destruction des messages perdus ou incomplets.

La version actuellement la plus utilise dIP est IPv4. Le tableau 1 prsente len-tte dun paquet IP.

1.1.2.2.3 La qualit de service

Le champ Type de Service (Tab.2) est utilis pour donner une priorit suivant le type de service, lorsqu'un datagramme (ensemble de donnes regroupes en paquets) transite dans un rseau. Certains rseaux offrent ce mcanisme de priorit, traitant prfrentiellement un trafic par rapport un autre. Cependant, ce champ est encore peu utilis par les entits du rseau et souffre de l'htrognit du rseau Internet.

Type de Service = | Priorit | L | D | E | 0 | 0 |

Bits 0-2 Priorit Code la priorit du datagramme

Bit 3 Latence 0 = Dlai standard, 1 = Dlai faible

Bits 4 Dbit 0 = Dbit standard, 1 = Haut dbit

Bits 5 Taux d'erreur 0 = Taux standard, 1 = Taux faible

Bit 6-7 Rserv

Tableau 2 : Le champ type de service d'IP

Le Type de Service a pour fonction de prciser le traitement du datagramme pendant sa transmission travers un rseau. Les bits de priorit servent hirarchiser les paquets, les bits LDE permettent de personnaliser le routage en fonction du service souhait.

Le rseau Internet est constitu dune multitude de machines relies entre elles par un maillage redondant. Le mode de transfert des donnes utilise le best effort ce qui se traduit par une transmission au mieux , c'est dire qu'on ne dispose d'aucune garantie en terme de latence, de dbit ou de taux d'erreurs. En effet, lorsque deux machines sont en relation, le contrle des donnes se fait uniquement par le rcepteur. Si la donne reue est corrompue par des erreurs alors il est ncessaire de retransmettre l'information.

1.1.2.2.4 La fragmentation

Bien que la longueur maximale d'un datagramme IP soit de 65535 octets, il existe d'autres limites cette taille. En effet, il est prfrable qu'un datagramme IP soit encapsul dans une seule trame de niveau 2 la plus grosse possible afin d'optimiser le dbit. Cependant, cette valeur n'est jamais atteinte car les rseaux n'ont pas une capacit suffisante pour envoyer de si gros paquets. La taille maximale, du datagramme qu'un rseau est capable d'acheminer est appele MTU (Maximum Transfer Unit). Au del de cette taille maximale, le paquet sera dcoup en fragments de taille infrieure et compatible avec ce MTU. Si au contraire, le MTU d'un rseau travers est suffisamment grand pour acheminer le datagramme, il sera alors



encapsul tel quel dans la trame du rseau en question. Le phnomne de fragmentation se situe au niveau des routeurs qui reoivent des datagrammes issus d'un rseau grand MTU et qui doivent les rexpdier vers un rseau plus petit MTU. La taille d'un fragment est toujours choisie de manire ce qu'elle soit la plus grande possible tout en tant un multiple de 8 octets.

Le problme introduit est encore celui de l'htrognit du rseau Internet : tant donn que le datagramme IP peut transiter sur un ensemble de rseaux aux technologies diffrentes, il est difficile de dfinir une taille maximale des datagrammes IP (Ethernet MTU=1500 octets, FDDI MTU=4470 octets) qui permettent de les encapsuler dans une seule trame quel que soit le rseau travers. Mme s'ils transitent vers des rseaux avec un plus grand MTU les routeurs ne rassemblent pas les fragments. Un datagramme fragment n'est seulement rassembl que lorsqu'il atteint sa destination. De plus, chaque fragment est rout de manire totalement indpendante.

Cette condition, ncessaire l'unification des rseaux est l'origine du phnomne de gigue dcrit un peu plus loin. Du fait des routes totalement indpendantes empruntes par les fragments, le destinataire final qui reoit un premier fragment d'un datagramme est oblig de se resynchroniser avec l'metteur afin de rassembler les fragments. Cette resynchronisation implique de dclencher un compte rebours. Un dlai est alors impos afin d'attendre l'arrive de tous les fragments. Si, pass ce dlai, tous les fragments ne sont pas arrivs, les fragments reus sont alors dtruits et le datagramme est ignor (perdu). L'introduction de ce nouveau dlai est particulirement gnante lorsqu'on souhaite conserver l'interactivit de la conversation lors du transit de paquets VoIP.

1.1.3 Les points cls de la VoIP

Afin de mieux raliser les difficults associes au transport de la voix sur un rseau IP, nous avons dress un comparatif entre la commutation de circuits des rseaux RTC et le mode paquets des rseaux IP. Dans la suite du paragraphe, nous allons mener une tude des diffrents points cls de la VoIP afin de comprendre les facteurs et les leviers sur lesquels il faut jouer pour s'assurer d'une communication la plus proche possible de la communication orale [OUA].

Les deux approches, IP et RTC n'ont que trs peu de points communs. Les rseaux IP sont simples et intuitifs alors que les rseaux commuts sont complexes et figs. Le tableau 3 tablit la comparaison entre les deux types de rseaux.


Tableau 3 : Comparatif IP/RTC


Il est ncessaire d'expliquer l'origine des dfauts de transmission possibles. On distingue trois principales manifestations dont la VoIP peut souffrir plus ou moins lourdement (Fig.5) :

le dlai : il correspond au temps de transmission d'un paquet. Il doit respecter les contraintes cites plus haut afin de conserver une conversation interactive,

la gigue : il s'agit d'une variation de dlai ncessitant la resynchronisation en bout de chemin,

la perte : il est possible qu'un paquet se perde au cours de la communication. La communication est alors perturbe plus ou moins fortement en fonction du codage et de la compression de la voix utiliss.

1.1.3.1.1 Les dlais

Le dlai de transmission sur le rseau Internet est difficilement quantifiable, car il est, de part son universalit dsire, trs htrogne. On ne peut donc pas maitriser tous les dlais introduits par les rseaux utiliss (congestion, pannes, routage). Il est par contre possible de prendre en compte certains dlais et d'estimer les autres. Parmi ces dlais, on distingue suivant leur origine : les dlais lis l'metteur, ceux lis au rcepteur et ceux lis au rseau (Fig.6).

Les dlais introduits par l'metteur sont dans l'ordre chronologique de la transmission :


Figure 6 : Dtail des diffrents dlais pour la VoIP

Figure 5: Les diffrentes perturbations des rseaux IP


La numrisation et le codage. Ce dlai correspond au temps ncessaire numriser et coder. Il s'agit d'une conversion analogique/numrique qui peut tre effectue l'aide d'une carte son lorsqu'il s'agit d'un PC ou bien d'une passerelle lorsque le terminal n'en est pas capable.

La compression qui se dcompose en trois parties. Le dlai de trame est li au traitement par bloc de la voix numrise. Ce dlai introduit un temps d'attente variable en fonction du codage utilis. Le dlai d'encodage est ncessaire aux compressions prdictives qui indiquent l'encodeur comment volue le signal. Et enfin, le dlai de traitement qui dpend du processeur et de l'algorithme utilis pour compresser une trame.

La mise en paquets introduit ensuite un nouveau dlai ncessaire la cration du paquet (en-tte, srialisation).

La transmission, enfin, qui correspond au temps ventuellement ncessaire pour accder la passerelle depuis un rseau local par exemple.

On distingue ensuite pour les dlais lis au rseau :

le dlai de propagation de l'onde lectromagntique dans le conducteur (environ 200000 km/s pour le cuivre),

la commutation et les sjours dans les files d'attente qui peuvent suivant la nature du rseau introduire galement des dlais.

Viennent enfin les dlais du rcepteur qui correspondent aux oprations inverses de celles effectues par l'metteur :

le tampon de gigue (expliqu dans le chapitre suivant) permet de resynchroniser les paquets arrivant avec des dlais variables. Il sert donc compenser les dcalages et remettre en ordre les paquets.

La dpaquetisation, la dcompression et le dcodage qui correspondent aux oprations inverses de celles de l'metteur qui dpendent du processeur et des algorithmes utiliss,

Enfin la restitution qui correspond la conversion numrique/analogique.

1.1.3.1.2 La gigue de transmission

On appelle gigue la variation du dlai de transmission. Le protocole de transport majoritairement utilis pour les paquets voix sur un rseau UDP/IP (User Datagram Protocol). Ce protocole de niveau 4 (Transport) prsente l'avantage d'tre plus rapide que TCP. Il fonctionne en mode non connect, c'est--dire que les paquets n'empruntent pas toujours le mme chemin et donc n'arrivent pas tous avec le mme dlai. Ce dlai dpend du nombre de routeurs traverss ainsi que de la charge du rseau. Pour restituer le flux dans l'ordre l'arrive, l'lment rcepteur doit utiliser des tampons de compensation de gigue afin de resynchroniser le message. Ce dlai supplmentaire doit tre pris en compte et rallonge encore le dlai de transmission. La figure 7 illustre la diffrence de routage de bout en bout dans un rseau RTC et IP l'origine du phnomne de gigue.



1.1.3.1.3 Les pertes

La perte d'un paquet occasionne un manque d'informations lors de la rception du signal audio. Suivant le nombre de paquets perdus et le codeur audio utilis, la qualit en bout de ligne peut varier fortement. Malheureusement dans les rseaux IP, ce phnomne n'est pas rare et fait mme partie des consquences du concept mis en uvre pour que l'universalit du rseau Internet soit possible. Les routeurs ayant en charge de dtruire des paquets afin d'anticiper d'ventuelles congestions, lorsque les files d'attentes sont surcharges, des paquets peuvent ainsi tre limins.

Il existe principalement quatre causes de perte de paquet :

la destruction pour congestion du nud,

la dure de vie puise (la route n'est plus valide),

le retard la rception suprieur la fentre de gigue,

les erreurs de transmission suprieures la correction mise en place.

Nous l'avons prcis plus haut, le protocole UDP ne garantit nullement que les paquets arrivent destination. Ainsi une erreur non corrige sur l'en-tte du paquet peut entraner sa perte.

On dfinit alors le taux de perte des paquets. Il dpend de la qualit de la ligne ainsi que du dimensionnement du rseau. On estime que pour avoir une qualit de parole acceptable, le taux de perte de paquet doit rester infrieur 20%. Cependant, certains algorithmes de codeurs audio peuvent tre plus sensibles la perte de paquets.

Pour tenter de compenser le manque d'informations li la perte de paquets, plusieurs mthodes existent :

L'estimation des paquets manquants. Cette mthode consiste remplacer le paquet manquant par une estimation du dernier paquet reu. Cette solution utilise par les codeurs prdictifs ne fonctionne correctement seulement si le taux de pertes est faible. De plus cette mthode implique une latence de compensation.


Figure 7 : Routage dans les rseaux IP/UDP et RTC


La redondance de donnes. Le principe est de transmettre dans chaque paquet de voix une partie du paquet prcdent. Le problme associ ce mcanisme est d'augmenter le dbit binaire ncessaire car la quantit d'informations transmettre est suprieure.

La redondance hybride. Il s'agit du mme mcanisme que la redondance de donnes effectue par le codeur audio de manire optimale. Cela permet de rduire le dbit ncessaire en ajoutant de la robustesse la communication.

1.1.3.2 Bilan

La figure 8 reprsente un bilan des dlais fixes et variables (non maitriss) d'une connexion voix entre Seattle et Paris. Celle-ci permet de mettre en lumire la problmatique du transport de la parole au sein des environnements IP : le niveau de contrle du rseau.

Dans un premier temps, si l'on se place du cot des Fournisseurs d'Accs Internet, ces derniers offrent aujourd'hui en France tous un service VoIP ainsi que des moyens de contrle du rseau mis en place (tels que les protocoles H.323 ou SIP dcrits dans le prochain paragraphe). Ces mcanismes permettent alors de garantir les conditions ncessaires un fonctionnement correct du service de Voix sur IP au moyen d'quipements lourds sur un rseau contrl pratiquement (hors terminaisons d'appels) de bout en bout.

Dans un second temps, pour des applications tierces, la contrainte du dlai maximal de 300 ms, afin de conserver l'interactivit du dialogue est plus difficile maintenir car le mcanisme du best effort associ IP ne fournit aucune garantie.

Cependant, la qualit du service de voix sur IP a aujourdhui franchi les seuils dacceptabilit par les utilisateurs et ouvre le champ de nouvelles applications. Lvolution de ces marchs nest cependant pas indpendante de la qualit des rseaux IP, qui est de manire gnrale insuffisante actuellement.


Figure 8 : Bilan des dlais VoIP


Dans un Intranet ou Extranet, un bon dimensionnement du rseau et une bonne gestion permettent dans certains cas de matriser ces paramtres, contrairement l'Internet dont le mode de fonctionnement ne permet pas un contrle de tout le rseau. Il est mme possible dans le cas d'un rseau ddi d'utiliser conjointement le RTC en cas d'indisponibilit du rseau ou de qualit de service insuffisante un moment donn. Il est donc normal de s'interroger sur la possibilit d'utiliser Internet pour les transmissions sans fil de type mtropolitain qui au del du mdium radio variable ajoutent une distance consquente et bien suprieure aux rseaux PAN destins la transmission de la voix (oreillettes Bluetooth, combins DECT par exemple).

1.2 La SignalisationLa signalisation est par dfinition le transport d'une information de commande sur le rseau.

L'objectif de la signalisation est de prvenir une application qu'une information de commande va lui tre adresse. Les services multimdia sur IP utilisent massivement les protocoles de signalisation. La signalisation existe dans tous les rseaux, en mode circuits ou en mode paquets.

La signalisation permet de dfinir des procdures communes et permet l'interoprabilit entre les diffrents fournisseurs d'quipements. Les organismes normatifs participant ces travaux de signalisation sont principalement l'UIT et l'IETF.

On diffrencie, dans les protocoles de signalisation, deux modes de fonctionnement : inband et outband. Ces modes distinguent la mthode d'envoi des informations de commande. Dans le premier cas ces dernires suivent le chemin des donnes, tandis que dans le second cas elles utilisent des chemins indpendants. Une autre nuance est faite parmi la signalisation suivant la route des informations de donnes qui peut tre la mme pour les informations de commande ; on parle alors de couplage de chemin (path-coupled).

Dans une situation de bon fonctionnement, le trafic de signalisation doit occuper une faible part du trafic du rseau. Pour ne pas crer de congestion, un protocole de signalisation doit tre stable, robuste et consommer le moins de ressources possible. Enfin, les protocoles doivent permettre le passage l'chelle vers des rseaux tendus.

Pour mettre en uvre la voix sur IP, les protocoles de signalisation doivent tre modulaires et flexibles afin de pouvoir s'adapter chaque application. Nous commenons dans cette partie par distinguer les protocoles qui travaillent au niveau transport pour garantir les conditions ncessaires une communication interactive. Puis nous abordons dans le reste du chapitre, quelques exemples de protocoles de signalisation utiliss pour mettre en place des services de voix sur IP.

1.2.1 Les protocoles de gestion et de contrle

1.2.1.1 RTP/RTCP

1.2.1.1.1 RTP

Real time Transport Protocol (RTP) est publie pour la premire fois par l'IETF en 1996 (RFC 1889 qui depuis 2003 est devenu obsolte au profit de son volution RFC 3550) [RTP]. L'objectif de RTP est de permettre de transmettre sur IP (qui ne fournit pas de garantie) des donnes soumises des contraintes temporelles (audio, vido). Sa fonction principale consiste attribuer des numros de squence aux



paquets IP pour reconstituer, l'arrive, les informations mme si le routage du rseau change l'ordre des paquets (gigue). Les fonctions de RTP permettent :

d'ajouter des marqueurs temporels et des numros de squence l'information transporte,

d'identifier la source (multicast),

d'identifier le contenu des donnes transportes,

de contrler l'arrive destination des paquets et d'informer la source d'ventuelles pertes.

Malgr son nom, RTP n'est pas, proprement parler, un protocole de niveau Transport (il utilise TCP ou UDP). Il ne permet pas non plus d'obtenir des communications temps rel sur IP. RTP ne fournit aucune garantie concernant le dlai de livraison. Il ne fournit pas non plus de mcanisme de rservation de ressources (RSVP) ou de retransmission automatique. Le tableau 4 rcapitule les champs et leurs fonctions au sein du protocole.

1.2.1.1.2 RTCP

RTP peut tre complt par Real time Transport Control Protocol (RTCP). Ce dernier permet un retour d'informations sur la transmission (Fig.9). Ce protocole de contrle permet de renvoyer la source des informations sur les rcepteurs au moyen de rapports. Il peut permettre alors la source d'adapter le type de codage ou bien de modifier le dbit des donnes d'un ou de plusieurs participants.

Le protocole RTCP demande aux participants de la session d'envoyer priodiquement des rapports. Ce protocole dfinit quatre types de rapport de contrle :


Tableau 4 : Les champs de RTP


SR (Sender Report) : ce rapport regroupe des statistiques concernant les participants actifs de la transmission (pertes, gigue),

RR (Receiver Report) : ce rapport traite de statistiques portant sur les rcepteurs d'une session ou bien sur les participants actifs en combinaison avec SR lorsqu'il y a plus de 31 sources.

SDES (Source DEScription) : fournit une carte de visite de la source (nom, localisation),

BYE : est le message de fin de participation une session.

Les en-ttes des diffrents rapports explicits ci-dessus ne sont pas dtaills, cependant le tableau 5 donne la structure des paquets RTCP.

Pour conclure, RTP/RTCP sont adapts la transmission de donnes avec contraintes temporelles. Cependant, ils permettent d'obtenir des communications correctes uniquement sur des rseaux implmentant une qualit de service bien dfinie. Car seuls les rseaux bien dimensionns du style LAN d'entreprise seront mme d'utiliser cette solution. RTP/RTCP convient donc particulirement aux rseaux d'oprateurs souhaitant mettre en place un service VoIP. Cette qualit de service peut notamment tre maintenue grce au protocole RSVP dcrit ci-dessous.

1.2.1.2 Le protocole RSVP

Le protocole RSVP (Ressource reSerVation Protocol) est destin la rservation de ressources de bout en bout. Dcrit pour la premire fois en 1997 dans la RFC 2205 [RSVP] de l'IETF, il a t largi par de nombreuses extensions. RSVP fonctionne en mode path-coupled et initie la rservation depuis le rcepteur vers l'metteur. L'un des avantages qu'offre RSVP est la possibilit de rserver des ressources en multicast. Il tire avantage de son principe de rservation en vitant de rserver des ressources qui ne pourraient pas tre supportes par le rcepteur.


Figure 9 : Fonctionnement de RTP/RTCP

Tableau 5 : Champs RTCP


RSVP permet de maintenir les paramtres de contrle de trafic. Le protocole RSVP est unidirectionnel, dans le sens o, la rservation pour le flux de donnes ne sera effectue que pour le sens metteur vers rcepteur. Il est galement noter que RSVP n'est pas un protocole de routage. Les routeurs ne supportant pas ce protocole, routent de manire transparente les paquets IP contenant les messages RSVP. Le tableau 6 prsente les diffrents champs de RSVP.

Le principe de fonctionnement de RSVP est d'tablir une connexion logique appele session. L'adresse IP du destinataire ainsi que les ports de destination TCP ou UDP sont ncessaires la cration de cette session. RSVP est bas sur l'change de deux types de messages fondamentaux : Path et Resv (Fig,10). Le message Path est envoy par l'metteur afin de donner les caractristiques du trafic qu'il va gnrer. Le message Resv est la rponse du rcepteur un message. Il permet de spcifier la qualit de service pour les diffrents nuds du chemin en remontant le chemin Path et en rservant les ressources ncessaires.


Tableau 6 : Champs RSVP

Figure 10 : Mcanismes de rservation RSVP


1.2.2 Le protocole H.323Le protocole H.323 de l'UIT, issu du protocole H.320 (visiophonie sur RNIS), rpond aux problmes

lis Internet. Ne en 1996, la recommandation H.323 dnomme Systmes et quipements visiophoniques pour rseaux locaux offrant une qualit de service non garantie est une association regroupant plusieurs protocoles. H.323 fonctionne en mode sans connexion et sans garantie de qualit de service. Actuellement dans sa sixime version, le protocole vient d'tre rebaptis Systmes de communication multimdia en mode paquet .

1.2.2.1 Historique

Les diffrentes versions de lUIT de la recommandation H.323 [H323] entre 1996 et aujourdhui ont permis d'ajouter de nombreux services :

la version 1 publie en 1996 a dfini les bases de la norme,

la version 2 publie en 1998 a apport des modifications comme l'ajout de capacits pour la mise en attente, le transfert et le renvoi dappels, la scurit (authentification, confidentialit), l'ajout du codeur audio GSM et l'utilisation du RAS (Registration Admission Status),

la version 3 publie en septembre 1999 a introduit de nombreux changements comme la rduction importante des dlais d'tablissement d'appel, une meilleure tolrance aux erreurs, la communication inter serveurs, l'utilisation du protocole UDP pour le transport, l'introduction de services utilisateurs,

la version 4 sortie en Novembre 2000, a propos une dcomposition des passerelles pour se conformer aux recommandations H.248, la possibilit d'administration par HTTP, le multiplexage audio et vido dans un mme flux RTP, lquilibrage des charges entre portiers, l'indication des ressources disponibles des passerelles, l'ajout du service de fax, la fonction de tunneling pour des protocoles non H.323 et l'ajout du Generic Extensibility Framework (GEF) environnement qui permet d'ajouter de nouveaux services sans modifier le protocole de base,

la version 5 approuve fin Juillet 2003 est une version que l'on peut qualifier de maintenance car elle amliore la stabilit mais ne modifie pas en profondeur le protocole. La principale amlioration est l'ajout de fonctions par l'intermdiaire du GEF,

la sixime et dernire version en date est celle de Juin 2006. Elle introduit trs peu de changement dans le protocole mais de nombreuses nouvelles fonctionnalits. Cette version propose des amliorations concernant la scurit (SRTP pour Secured RTP), le codage de la voix et de la vido (iLBC, GSM, H.264).

1.2.2.2 Principe de fonctionnement

L'empilement protocolaire propos par H.323 utilise UDP au-dessus d'IP. Le protocole RTP, utilis au-dessus d'UDP, va permettre de marquer temporellement les datagrammes (Fig.11) [H323]. Le protocole RTCP permet ensuite le contrle du flux utilisant RTP et informe les participants du bon droulement des oprations. Au dessus de RTP/RTCP, dautres normes ont t dfinies pour transporter la voix et la vido sur Internet. Pour la voix, H.323 dfinit toujours comme encodage le G.711 cit plus haut dans les codeurs audio.



L'architecture H.323 gre la communication de bout en bout. Elle sappuie sur des protocoles de communications comme UDP, RTP, RTCP, mais galement sur des codecs audio (G.711, G.723.1) et des codecs vido (H.261, H.263). H.323 permet de prendre en compte les fonctions suivantes :

le contrle de la procdure d'appel (requte, tablissement et suivi de l'appel),

la gestion des flux multimdia (codecs audio, vido),

la gestion des confrences multipoint,

la gestion de la bande passante,

l'interconnexion d'autres rseaux (RTC, RNIS).

Des fonctions optionnelles sont galement proposes par les protocoles H.450.x (services supplm

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