GSM, UMTS, WIFI, BLUETOOTH, OFDM, ADSL...

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GSM, UMTS, WIFI, BLUETOOTH, OFDM, ADSL...
(Version provisoire et incomplète infos
récupérées sur différents sites)
Merci de transmettre corrections et compléments
à leroux_at_essi.fr
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Global System Mobiles (fin années 1980)
Radiotéléphone cellulaire numérique échange de
données entre stations de base et mobiles
Itinérance (roaming) suivre les mobiles
Handover commutation de la communication dun
mobile d une cellule à une autre
Transmission dans les bandes 890-915 MHz et
915-940 MHz
Multiplexage en fréquence et en temps
Bande de fréquences de largeur 200 kHz pour
transmettre 271 kbits/s (multiplexage de 8
communications par canal fréquentiel)
Débit de transmission de parole 13 kbits/s ou
5.6 Kbits/s
X. Lagrange, P. Godlewski et S. Tabbane, Réseaux
GSM-DCS, Hermès,1995
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cellules
GSM
Une antenne couvre un secteur géographique dont
la surface dépend de la densité d utilisateurs
Cellules de 100m (urbaine) à 30 km de
rayon (campagne)
Antennes directives souvent trois par trois
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Problème de répartition des fréquenceslors de la
modification des cellules du réseau
GSM
Éviter les interférences avec les signaux
des cellules voisines
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Téléphone mobile cellulaire
GSM
Gérér les passage d un mobile d une cellule à
la voisine
- Essentiellement scrutation des niveaux des
signaux de communication
- Echange d informations entre le contrôleur de
la cellule que quitte le mobile et celui de la
cellule qui le prend en charge
- Saut de fréquences schéma d utilisation des
fréquences dans les cellules
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Gestion de la communication radio
GSM
Pas d algorithmique compliquée mais une mise en
œuvre complexe exemple de problèmes à gérer
Mobile en écoute, renvoie des infos aux stations
de base
Une des stations de base décide de prendre le
contrôle (échange d infos sur l intensité des
signaux reçus par les différentes stations)
Choix de la fréquence de communication
Inscription sur la liste des clients de la cellule
Résolution des problèmes de synchronisation
(décalage de l émission par le mobile en
fonction des infos reçues par la station de base
prise en compte du temps de transmission à la
vitesse de la lumière)
Ecoute des signaux de contrôle émis par les
cellules voisines pour un éventuel changement)
Contrôle de puissance compensation des défauts
du canal de transmission
problèmes de cryptage et d authentification
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Itinérance, Handover
GSM
Localisation en permanence des mobiles dans
quelle cellule se trouvent-ils ?
Le mobile en veille est actif il écoute les
requêtes et y répond (synchronisation par les
stations de base)
La station de base de la cellule ou rentre le
mobile doit choisir une fréquence libre avec une
qualité de communication suffisante
implique un échange important de signalisation
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Bandes de fréquences
GSM
Bandes de fréquences utilisées en communication
GSM, la largeur d'un canal de com- munication est
de 200 kHz.
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Modulation GMSK
GSM
Gaussian minimum shift keying
Diminuer la largeur de bande en atténuant les
variations brusques de phase
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Modulation GMSK
GSM
temps
Signal à émettre
fréquence
temps
Évolution correspondante de la phase
Bande de fréquence
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Correction derreurs
GSM
Exemple de codeur convolutionnel utilisé dans le
GSM deux des sorties (du haut) sont utilisées
pour le codage de toutes les données, ces
redondances sont complétées par les deux
autres sorties (celles du bas) pour les
transmissions de données à 4.8 et 2.4 kbits/s
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Paquets de données
GSM
Composition d'un slot. Entre deux slots, il y a
des intervalles où les spécifications des temps
de montée et de descente des signaux sont
précisées. Les trois premiers et les trois
derniers bits du slot servent à la
synchronisation. Il y a 2 x 58 bits de données
utiles dans chaque slot. Les 26 bits du milieu
sont une séquence pseudo-aléatoire connue du
récepteur permettant de réduire les déformations
du canal de transmission.
Composition d'une trame en huit slots
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Entrelacement des données
GSM
Entrelacement des données à transmettre sur
différentes trames les données sont transmises
dans le même slot, mais dans des trames
successives les quatre premiers paquets
de données de 57 bits chacun sont rangés dans le
premier groupe de bits de chaque slot les
quatre derniers sont rangés dans le deuxième
groupe de bits de chaque slot
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Opérations effectuées
GSM
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Compression de la parole
GSM
(Long term prediction)
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UMTS (3G)
Universal Mobile Telephone Service
Les bandes de fréquences utilisées 1885-2025
MHz 2110-2200 MHz 806-960 MHz (BandeGSM)
1710-1885 MHz(Bande GSM DCS) 2500-2690 MHz
(dans ces bandes, les fréquences peuvent devoir
être partagées avec d'autres réseaux). Un réseau
UMTS Bande de 5 MHz.
Les débits des données transmises par un
utilisateur sont variables de 144 kbit/s à 384
kbit/s et même 2 Mbit/s à faible distance. Le
débit de transmission effectif au niveau des
ondes 3.84 Mchip/s à valeurs complexes (deux
bits) 1 trame de 10 ms 15 slots 15 x 2560
(38400 chips) 1 chip (2 bits) 0.26ms
P. Lescuyer, UMTS, les origines, l architecture,
la norme, Dunod, 2002
http//www.umtsworld.com/technology/moc.htm
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Bandes de fréquences
UMTS
1885-2250 MHz
1920-1980 et 2110-2170 MHz Frequency Division
Duplex (FDD, W-CDMA) largeur des canaux 5 MHz
sous bandes 200 kHz. un operateur 3 - 4
canaux (2x15 MHz or 2x20 MHz) . 1900-1920 et
2010-2025 MHz Time Division Duplex (TDD,
TD/CDMA), largeur des canaux 5 MHz sous bandes
200 kHz. 1980-2010 and 2170-2200 MHz Satellite
uplink et downlink.
Débit max de l ordre de 1 à 2 Mbits/s
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UMTS
Modulation
QPSK
Antenne adaptative
Défauts du canal Antenne adaptative par les
stations de base Trajets multiples
éventuellement pris en compte (directivité)
Ajustement de la puissance
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CDMA
UMTS
Code Division Multiple Access
Pour réduire les problèmes de ré-allocation de
fréquences
Remplacer le type de modulation FDMA par CDMA
Frequency Division Multiple Access Code Division
Multiple Access (Walsh Hadamard)
codage
décodage
Chaque usager a une signature
orthogonale à celle des autres usagers
Elargissement de la bande de fréquence (étalement
du spectre) p. ex. 60 MHz dans la bande des 2
GHz
de 100 kbit/s à 500 kbit/s par usager
Problèmes de synchronisation et de contrôle
automatique des niveaux
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UMTS
Scrambling
Scrambler double ( pour les données complexes )
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UMTS
Correction d erreurs
Détection CRC (Cyclic Redundancy Codes)
Codes de Reed Muller
Codeur Convolutionnel 256 états
Turbocodes
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CRC
UMTS
Polynôme à coefs binaires de degré
Message binaire à transmettre
d(z) z24 z23 z6 z5 z 1 ou z16
z12 z5 1 ou z12 z11 z3 z2 z
1 ou z8 z7 z4 z3 z 1
Emission
Réception
Test
Erreur
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Codeurs convolutionnels
UMTS
Et pour les turbocodes
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UMTS
Turbocodes
émetteur
récepteur
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UMTS
1 trame radio de de durée 10 ms
15 slots de durée 0.67 ms 1 slot 2560
chips de durée 0.262 ms
Soit un débit de 3.84 Mchips/s (1 chip une
donnée QPSK 2 bits)
http//www.umtsworld.com/technology/images/timeslo
ts.gif
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UMTS
Transmission de parole
Prédiction linéaire de 12 à 5 kbits/s
Ligne de bonne qualité Plus de bits pour le
codage de la parole Moins pour la correction
derreurs Ligne de qualité réduite Moins de
bits pour le codage de la parole Plus pour la
correction derreurs
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IEEE 802.11b (WIFI), Bluetooth, OFDM, ADSL, ...
Éléments de description en transmission (couche
physique) (sans lanalyse des caractéristiques
réseaux/commutation)
- Fréquence (bandes de fréquences, sauts de
fréquences, ...) - Débit - Modulation,
constellation - Détection correction derreurs -
Compensation des défauts du canal de transmission
- Multiplexage des échanges avec différents
utilisateurs - Organisation des paquets de données
- Sécurité cryptage authentification - Codage/
compression (parole, audio, images, )
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Bluetooth (WAP), IEEE 802.11b
Faible puissance (qques mwatts), petites distances
Fréquence 2.4 GHz
de 2.400 à 2.4835 GHz en canaux de 10 MHz de
largeur séparés de 25 MHz (dépend des règlements
des pays par exemple en France 2.457, 2.462,
2.467, 2.472 GHz)
Débit 1 à 2 Mbit/s extensible 5.5 à 11 Mbit/s
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WIFI
Etalement du spectre
(diversité)
fréquence
Différents utilisateurs
- Sauts de fréquence suivant un motif
préétabli
temps
 1 
 0 
- modulation par une séquence de Barker (spectre
large)
devient
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WIFI
Modulation, constellation Gaussian Frequency
Shift Keying
f
1
150kHz
t
-150kHz
0
Ou differential PSK (direct sequence transmission)
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WIFI
Scrambling
z-7z-41
(égalisation, synchronisation)
data in
data out
Détection, correction derreurs
Eventuellement CRC x16x12x51, x8x7 x5
x2 x1, répétition Hamming (15,10)
data out
Codeur convolutionnel 802.11b
data in
Poinçonnage (puncturing) afin de réduire le
nombre de données à transmettre par exemple 3 sur
4, la valeur de la quatrième étant supposée
forcée à 0
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WIFI
Organisation des paquets de données
Slot 625 ms min mais multiples possibles
Paquets accès 72 bits entête 54 bits données
de 0 à 2745 bits
Sécurité authentification / chiffrage
IMPORTANTE DANS BLUETOOTH (clés secrètes) moins
élaboré à ce niveau dans IEEE 802.11b
Audio 64 kbits/s (A law / m law) ou delta
modulation (32 kbits/s)
Etablissement des liaisons maître/esclaves
dans un  piconet pour simplifier les pb de
synchronisation
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Digital Audio Video Broadcasting 802.11a (5 GHz)
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Transformée de Fourier inverse 64 points
Codage
Décodage Transformée de Fourier
Problèmes de synchronisation Moins de problèmes
dégalisation
Durée plus longue de lémission d1 bit mais
multiplexage en fréquence
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Composantes fréquentielles orthogonales
OFDM
Pas d interférence entre signaux correspondant
à des sousporteuses
Nyquist à la fréquence d un canal associée à
une donnée, les autres composantes sont nulles
fréquence
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OFDM
Largeur de bande 16.66 MHz par exemple 8 canaux
de 5150 à 5350 MHz
Dans chaque canal 42 sous-porteuses
espacées de 312.5 kHz 4 fréquences
pilotes
Durée dun symbole OFDM 4ms
Débit de 24 Mbit/s (de 6 à 54 Mbit/s) soit
5 à 6 programmes pour un canal analogique actuel
Constellations possibles BPSK (2), QPSK (4),
16QAM, 64QAM
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OFDM
Correction d erreurs
CRC polynôme
x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7
x5 x4 x2 x 1
Reed Solomon (204, 188) corrige jusqu à 8 erreurs
Codeur convolutionnel 802.11a
Scrambler
data in
data out
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OFDM
Schéma très simplifié
FEC Forwards Error Correction
Correction derreurs
Mapping
Demapping
IFFT
FFT
Modulation complexe
démodulation complexe
Horloge locale synchronisation
Horloge
Modulation porteuse
Démodulation porteuse
Émission
Réception
transmission
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Télévision Numérique Terrestre
Digital Video Broadcasting
Bande UHF de 470 à 860 MHz
canaux de largeur 8 MHz
OFDM/COFDM
6817 porteuses (8k)
durée dune donnée 896 ms intervalle de garde
modulation QPSK, 16 ou 64 QAM
(COFDM redondance)
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TNT
codage pour réduire le débit (compression)
audio codage du même type que mp3
video mpeg2 (transformée en cosinus et
compensation de mouvement) passer de 166
Mbits/s à 15 Mbits/s
15 à 24 Mbits/s (de 8 à 32 ?)
mpeg4 structurer et modifier limage
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TNT
codes correcteurs derreurs
Reed Solomon 204 1888x2
codes convolutionnels
poinçonnage 3/4
multiplexage temporel de plusieurs canaux
scrambling (Comon Scrambling Algorithm)
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OFDM
Communication utilisant les courants
porteurs (sur fils électriques)
Spécificité niveau de bruit très important et
très fluctuant
Débit de l ordre de 1 à 10 Mb/s
Bande de fréquence 2.4 GHz
Modulation OFDM BPSK (76bits/symbole
OFDM) QPSK(152 bits/symbole OFDM)
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ADSL
Asynchronous Digital Suscriber Line
La bande passante de la ligne d abonné peut
atteindre 1 MHz
Et permet un débit de 512 kb/s et 1024 kb/s
Découpe de la bande de fréquence en différents
canaux
Allocation des données en fonction de la qualité
du canal (contourne les problèmes d égalisation)
nécessité d une adaptation dynamique
http//www.iweil.com/communication/adsl20tutor.pd
f
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ADSL
une partie de la bande passante pour la
transmission de parole (4kHz).
ADSL peut produire le débit de 4 Mb/s du central
vers l'abonné sur une paire torsadée longue de 5
km, 6 Mb/s sur une distance de 3 km,
8 Mb/s sur 2 km. En sens inverse
de l'abonné vers le central téléphonique le
débit peut aller de 64 à 640 kb/s.
Deux types de modulation - CAP (Carrierless
Amplitude Phase), - DMT (Discrete MultiTone)
http //www/protocols/com/papersvirata_dsl2/pdf
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ADSL
CAP (Carrierless Amplitude Phase)
Voie montante
Voie descdte
Voix
Utilisation de la bande de fréquence dans la
variante CAP la bande basse de 4KHz est
utilisée pour la voix la bande de 25 à 160 KHz
envoie des informations de l'abonné au central
la bande au-delà de 240 kHz transmet les
données du central vers l'abonné sa largeur
dépend de la qualité de la liaison de 1 MHz à 8
MHz.
Dans les deux directions QAM de 4 à 512 états.
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ADSL
DMT (Discrete MultiTone)
voix
Fréquence
la bande de fréquence la plus basse (en dessous
de 4 KHz est réservée à la parole au delà il y
a 256 canaux de largeur 4 KHz à chacun d'entre
eux on alloue un certain nombre de bits en
fonction de la qualité (bruit, distorsion) de
cette bande Le débit sera plus élevé (jusqu'à 15
bits par symbole) dans une bande de bonne qualité
et réduit éventuellement à zéro dans une bande de
qualité médiocre scrutation des déformations et
apprentissage des caractéristiques de la ligne de
transmission pour optimiser les paramètres de la
transmission le débit maximum est ainsi
fonction de la qualité de la ligne faible sur
une ligne de qualité médiocre (longueur,
diaphonie, ). Utilisation de techniques type
OFDM pour le calcul des signaux (Fourier)
certains canaux réservés à la synchronisation
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ADSL
DMT (Discrete MultiTone)
255 canaux calcul des signaux émis par
transformée de Fourier rapide sur 256 points
durée d un symbole DMT 250 ms
Pour chaque canal on a les données discrètes
complexes à transmettre (modulation QAM) soit
x(k)
On émet
y(t) Sk0,N-1 x(k) exp 2pj kt/N
À la réception on calcule
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Modulation
ADSL
Modulation complexe QAM dans chaque canal, nombre
détats (4, 16, 64) fonction du rapport signal à
bruit
Bruit fort
Bruit moyen
Bruit faible
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ADSL
Correction d erreurs
CRC Codes de Reed Solomon sur des paquets de
taille 240,224 (correction de huit erreurs)
codes convolutionnels
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ADSL
Schéma général
http//www.vocal.com/adslmodem.pdf
50
CONCLUSION
Evolution permanente par exemple en 2003 IEEE
802.11g à 54 Mbit/s
DE NOMBREUSES ALTERNATIVES MAIS DES PRINCIPES
TECHNIQUES ASSEZ SEMBLABLES (utilisation de la
bande de fréquence, modulation, correction
d erreurs)