Wireless Communications (WCO) Jean-Marie Gorce Dept Télécommunications, Services & Usages

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1 Wireless Communications (WCO) Jean-Marie Gorce Dept Télécommunications, Services & Usages

2 Plan du cours PARTIE I : Introduction (2h) - Les systèmes radio terrestres (1h) Chap 2- Outils mathématiques (1h) PARTIE II : Liaison radio(5h) Chap 3- Système de référence (3h) Chap 4- Synchronisation (1h) Chap 5 - Etude des performances (1h) PARTIE III : Canal radio(8h) Chap 6- Affaiblissement et shadowing (2h) Chap 7- Canal à chemins multiples (2h) Chap 8- Combattre les évanouissements plats(2h) Chap 9- Combattre les évanouissements sélectifs (2h) PARTIE IV : Ingénierie cellulaire (5h) 0- Contexte multi-utilisateurs (2h) 1- Réseaux cellulaires (3h) 2

3 Historique : : découverte, expérimentation des ondes EM 1873 : JC Maxwell en prédit l existence : H. Hertz les observe : E. Branly réussi à les capter (1ère antenne??) : l Italien G. Marconi réalise la 1ère transmission radio en morse. (marconigrammes). (1897 : démonstration aux investisseurs) : inventions et mise en œuvre des premiers services grand public 1912 : le SOS du Titanic est capté par le navire Carpathia et sauve 800 personnes 1920 :1ère liaison radiotélégraphique France- Amérique ouverte au public : Première utilisation de la radio mobile par la police américaine :1ère liaison radiophonique Londres-New-York.

4 CITI - Dept Telecom Communications numériques Digital Communications, 4 ième édition, John G. Proakis, Mc Graw Hill, (2000). Radiocommunications Wireless Communications, Theodores Rappaport, Prentice Hall (2002). Wireless Communications, Andrea Goldsmith, Cambridge Univ. Press (2005). Fundamentals of Wireless Communication, Cambridge Univ. Press, David Tse, Pramod Viswanath, (2005). Antennas and propagation for Wireless Communication systems, Simon Saunders, Wiley (1999). Réseaux radio-mobiles réseaux radiomobiles, Sami Tabbane, HERMES réseaux GSM/DCS, Lagrange, Godlewski & Tabbane, HERMES wlan mobile communications, Jochen Schiller, Addison-Wesley (2000) Wireless LANs, Jim Geier, SAMS (2001). 4

5 Chap.1 Les systèmes radio terrestres 1 : Ondes et spectre électromagnétique 2 : Modélisation 3 : Partage de ressources 4 : Standards 5

6 1 ondes et spectre Ondes l E E0 cos t kz dx E longueur d onde l=c 0 /f H Sens de propagation t Période t=1/f onde électromagnétique 6

7 et spectre 7

8 et spectre Définition de bandes (ex: UHF) normalisation (régulier sur une échelle logarithmique*) f 0 =1GHz f low ~f 0 /3,16 f high ~3,16.f 0 Df ~2,8. f 0 =2,8GHz f high =10.f low 8

9 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz et spectre 100m 10m 1m 10 cm 1 cm 1 mm 120 dbm HF VHF UHF SHF EHF Radars météo 1GW 100 Radars militaires Satellites 1MW TV VHF TV UHF Four 1KW Amateurs Amateurs TFTS GSM DECT Télé péage 1W 1mW Plus de détails 9

10 2 modélisation Modélisation de la chaîne de transmission 0 Transmitter Receiver Bits In Baseband Coding Modem Modulator IF PA RF IF Modem Demodulator Baseband De-Coding Bits Out 10

11 modélisation Source Transmetteur Milieu de propag Récepteur Destinataire Cod Mod Tx canal Rx Dem Dem bruit Modélisation du canal 11

12 modélisation Gain d antenne Path-loss Shado- -wing Fast Fading Gain d antenne Bruit additif Source H(t,f) Bruit t, t x t, t b t y( t, t) h t t, 12

13 modélisation Capacité la capacité d un canal est le débit maximal admissible soit : sans erreur (théorique) pour un taux d erreur donnée (pratique) la capacité est égale au produit du débit symbole maximal par le nombre de bits/symbole. C max( Rs ) max( Nb) 13

14 BER CITI - Dept Télécoms - INSA Lyon probabilité d'erreur BPSK QPSK DPSK FSK GMSK modélisation E b /N 0 (db) 14

15 3 Partage des ressources «resource sharing» A) Attribution de ressources B) Duplexage C) Techniques d accès multiples D) Cas particulier : CSMA/CA 15

16 Sharing A) Attribution de ressources globales La bande de fréquence est choisie en fonction : de la portée voulue, de la capacité souhaitée Partage entre sous-réseaux Approche centralisée réserver des ressources spécifiques à différents opérateurs exemples GSM : / MHz DCS1800 : / MHz DECT : MHz WiFi: ISM ~2,4GHz Approche partagée Interférences non contrôlables, QoS non garantie 16

17 Sharing B) Duplexage (voix montantes/descendantes) duplexage en fréquence (FDD : frequency division duplexing) Écart duplex f Intérêt : permet d éviter les interférences entre lien montant et lien descendant (signal en réception <<signal en émission) 17

18 Sharing Duplexage en temps (TDD : time division duplexing): voix montantes/descendantes Partage temporel t Intérêt : un seul canal fréquentiel à gérer rem : attention aux interférences entre lien montant et lien descendant 18

19 Sharing C) Méthodes d accès multiples 1 bande globale : W ; C=Rs x Nb ; Nb=f(SNR) théorique C=2xW (2porteuses, 1 bit/porteuse) pratique : W=1,6Rs; C=2/1,6 x W=1,25xW.» BER~10-4 =>Eb/No=8dB; SNR=9dB. On veut partager ce débit global : choix parmi : FDMA, TDMA, FTDMA (GSM) ou CDMA (IS-95, UMTS). Critères : Maximiser l utilisation des ressources (bits/s/hertz) Gérer le niveau d interférences 19

20 Sharing FDMA (AMRF) P f Df T t 20

21 Sharing TDMA (AMRT) P f BP Dt t 21

22 Sharing F-TDMA P f Df Dt t 22

23 Sharing CDMA (AMRC) P f BP T t 23

24 D) Cas particulier : CSMA/CA Sharing AP 24

25 4 les systèmes GSM 900 MHz DCS 1800 MHz UMTS 2 GHz Analogique 800 MHz DECT ~1900 MHz Radar anticollision ~80 GHz Télépéage ~6 GHz Ouverture à distance 433 MHz Wifi / Bluetooth / UWB 2.4 à 6 GHz TV terrestre 500 MHz Systèmes satellites 1 à 45 GHz (Ex : Télévision 12 GHz, GPS 1.5 GHz) 25

26 Systèmes La diffusion La liaison point à point L accès fixe Les radio-mobiles Les réseaux cellulaires 26

27 Systèmes Diffusion d information sur 1 zone géographique. Caractéristiques 1 liaison simplex (sens descendant) 1 émetteur fixe omnidirectionnel des récepteurs directionnels Applications TV, radiophonie, signalisation... 27

28 Systèmes Faisceau hertzien : liaison inter-sites Caractéristiques : 1 liaison simplex ou duplex 2 E/R fortement directionnels et bien orientés points relais (terrestres, satellites) Applications ponts radios, liaisons satellites 28

29 Systèmes L accès fixe Relais Multi-points Caractéristiques : 1 liaison duplex 1E/R omnidirectionnel 1 E/R fortement directif Applications La Boucle Locale (Radio ou satellite) Wimax 29

30 Systèmes Radio-mobiles: transmission entre 1 point d accès fixe et 1 utilisateur mobile Caractéristiques : 1 liaison duplex 2 E/R omnidirectionnel Applications radio-taxis, médecins... 30

31 Systèmes Cellulaire : extension de la zone géographique couverte et augmentation du nombre d utilisateurs Caractéristiques : BSC MSC HLR VLR AUC EIR liaisons duplex BSC E/R omnidirectionnel 1 sous-réseau fixe de points d accès (cellules) OMC GMSC Applications la téléphonie mobile, les réseaux radio ISC 31

32 Systèmes Capteurs et ad hoc Caractéristiques : liaisons duplex MtoM E/R omnidirectionnel Énergie rare, coût faible Applications Surveillance Détection domotique 32

33 Systèmes Radiotéléphonie Radiodiffusion Autres stations Mesures de champs ANFR : 33

34 5 La standardisation ONU ITU-D ITU - Europe,Afrique,Moyen-Orient - Amérique,Groenland - Asie, Océanie ITU-R -radiocoms -organise WRC - techinque - réglementation ITU-T -WTSC -normalisations TSB IFRB -gardien du spectre - enregistre les fr.radio - liens avec admin locales GCNT 34

35 Standards France (ARCEP) CEPT Rapports -Recommandations -Décisions TC administrations ETSI constructeurs opérateurs STC STC... - standards (ETS) - rapports (ETR) 35

36 Standards Les principaux systèmes de radiocom. terrestres Téléphonie sans cordon CT-2, DECT (Europe), PHS (Japon) Téléphonie cellulaire GSM, UMTS, IS-95 Réseaux locaux sans fil WiFi Accès sans fil large bande LMDS, MMDS, WiMax Paging systems Satellite networks PANs : Bluetooth, ZigBee, UWB 36

37 Fixed Walk Vehicle CITI - Dept Télécoms - INSA Lyon Standards Wireless Technology Positioning Mobility / Range High Speed Vehicular Rural Vehicular Urban Pedestrian GSM GPRS Flash-OFDM UMTS Nomadic Fixed urban Indoor Personal Area EDGE DECT Bluetooth 0.1 HSDPA IEEE e WLAN (IEEE x) IEEE d Data rates Mbps 37

38 Processus de standardisation Comité technique de spécifications Standards Autorités de régulation Consortium de certification et de commercialisation 38

39 Standards Les principaux organismes de standardisation IEEE ( : les standards ETSI ( : hiperlan 3GPP (consortium d autorité de standardisation, dont ETSI) GSM (depuis 1998), EDGE UMTS 39

40 CITI - Dept TC - Juin 2006 Standards Les standards 802 IEEE : Institute for Electrical and Electronic Engineer (ieee.org) Organisation professionnelle non commerciale, fondée en 1884 maîtriser les technologies de l électricité Sponsorise, organise des conférences, des journaux et le développement de standards Exemple (ethernet). Fonctionne par «working group» pour le développement de standards Intérêt Interopérabilité Développement rapide de produits 40

41 CITI - Dept TC - Juin 2006 Standards La famille des standards : LLC MAC PHY WiFi Modèle OSI Couche 2 Couche 1 Bluetooth (15.1) Zigbee (15.4) en cours? WiMax (.16e) 41

42 CITI - Dept TC - Juin 2006 Standards vs WiFi WiFi : alliance de constructeurs pour la réalisation d équipement radio, exploitant la norme Architecture logique LLC MAC PHY freq. hopping PHY DSSS PHY 5GHz OFDM 42

43 CITI - Dept TC - Juin 2006 IEEE Standards 2,4 GHz a nm 5GHz Diffuse IR FHSS DSSS 1 Mbps 2GFSK 2 Mbps 4GFSK 1 Mbps DBPSK 2 Mbps DQPSK b g OFDM n MIMO 5Mbps / 11 Mbps DQPSK-CCK 54Mbps OFDM 300Mbps 43

44 CITI - Dept TC - Juin 2006 Standards / WiMax 4 couches physiques définies a : 2 avec porteuse unique (Single carrier) Non utilisé d : OFDM (OFDM-256) Base des produits Wimax fixes e : OFDMA + MIMO Conçu pour gérer la mobilité 44

45 Standards Description rapide du e 45

46 Standards 46

47 Les standards 2G 3G Standards 47

48 CITI - Dept Telecom La couche radio du GSM GSM DCS Bande de fréquence MHz (up) MHz (down) MHz (up) MHz (down) Nombre d intervalles de temps par 8 8 trame TDMA Nombre de porteuses Fréquences porteuses f d =935+0,2.n, pour 1 n 124 f d =1805,2+0,2.(n-512), pour 512 n 885 Ecart Duplex 45 MHz 95MHz Rapidité de modulation 271kbit/s 271kbit/s Débit de la parole 13 kbit/s (5,6kbit/s) 13 kbit/s (5,6kbit/s) Débit après codage d erreur 22,8 kbit/s 22,8 kbit/s Débit max de données 12 kbit/s 12 kbit/s Accès multiple Multiplexage fréquentiel et temporel, duplexage fréquentiel Rayon des cellules 0,3 à 30 km 0,1 à 4 km modulation GMSK GMSK Multiplexage fréquentiel et temporel, duplexage fréquentiel 48