Radiocommunications mobiles terrestres. Support de cours Daniela Dragomirescu

Toward Internet of things Radiocommunications mobiles terrestres Support de cours Daniela Dragomirescu

Student participation and discussion will be an essential part of the course 2

Bibliographie La norme GSM, GPRS, UMTS - bon courage Norme GSM - plus de 10000 pages - complète, non-ambiguë, très précise, mais difficile à lire, fonctionnalités disséminées sur plusieurs spécifications Http ://www.etsi.org Réseaux GSM - Xavier Lagrange, Philippe Godlewski, Sami Tabbane- Ed. Hermes, 2000 UMTS J.Sanchez, M.Thioune, Ed.Hermes WCDMA for UMTS: HSPA Evolution and LTE - Dr. Harri Holma, Dr. Antti Toskala Ed. Willey LTE for UMTS H.Holma and A.Toskala, Ed. Wiley Protocols and architectures for Wireless Sensor Networks H. Karl and A. Wilig, Ed. Wiley 3

Research experience teachings This course is based on my research experience developed at LAAS-CNRS : 2002-2005 signal processing architectures for UMTS in collaboration with Freescale and Motorola in Toulouse 2004-2007 European project MIMOSA on Ambient Inteligence with partners all around Europe, like Nokia and ST Microelectronics 2005 2008 ANR Young Investigator RadioSoC Project on Reconfigurable Wireless Sensor Networks 2006 2011 Aerospace Valley SACER project on Real Time Wireless Sensor Networks for aeronautics and spatial (Airbus, Intespace) 2008-2011 European project QSTREAM on Very High Data Rate Wireless Transmission 2007 2010 FRAE project LIMA on deploying Internet inside the planes 2009-2011 ANR NanoInnov Project : Reconfigurable Nano-objects wireless networks (EADS IW) http://www.nanocomm.fr ADREAM project 4

Context Towards Internet of things Wireless communications are emerging What you already know : Electromagnetism Antenna design Architecture and Circuit design What s next? System approach Mobile wireless systems -1 st part of this course New networks architectures : 2 nd part of the course Wireless Sensor Networks Ambient Intelligence Cyber-Physical Systems 5

Wireless Sensor Networks Ambient Intelligence Cyber Physical Systems Internet of things Challenges : New physical layer New MAC layer Smart antenna Routing layer Cross-layering changing the design of the networks Low power Wireless Safety and security problem Privacy Distributed systems distributed application QoS? Could you provide QoS? 6

Réseaux mobiles Grande mobilité GSM (Global system for Mobile Telecommunication) GPRS (Genral Packet Radio Service) EDGE (E Enhanced ddata for GSME Evolution) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Wireless LAN (Ethernet Hertzien, Wi-Fi) Mobilité réduite DECT (Digital Enhaced Cordless Telephone) Bluetooth ZigBee RFID 7

1. GSM 1. Historique Table de matières 2. Réseaux cellulaires généralités, lexique 3. Déploiement de réseaux cellulaires 4. Architecture du réseau GSM 5. Interface radio: modèle en couche et canaux logique 6. Interface radio: canal de trafic, couche physique radio 2. GPRS 3. EDGE 4. Introduction à l UMTS 5. WPAN: Bluetooth, ZigBee 8

Radiocommunications mobiles - Historique 1 ère génération --> Réseaux analogiques (AMPS -Advanced Mobile Telephone System) opérationnel en 1983 - Bell Labs Principe du découpage en cellules : macrocellule --> taille de la cellule ~10km Principe de la réutilisation des fréquences Méthode d'accès au canal physique : FDMA Exemples : Postes téléphoniques mobiles (de voitures) Applications militaires (balises de repérage, lignes spécialisés) Avantages : Simplicité du système de communication Inconvenients Coupures lors de changements de cellules Connexions peu sécurisés Aucune interactivité 2 ème génération --> GSM 9

GSM Historique 1979 - Conférence administrative mondiale des Radiocommunications i alloue une plage de fé fréquences voisine i de 900 MHz aux radiocommunications mobiles. 1982 - Projet MARATHON (CNET). La Conférence Européenne des Postes et Télécommunications (CEPT) définit les sous- bandes 890-915915 MHz (sens montant) et 935-960960 MHz (sens descendant).création du Groupe Spécial Mobile (GSM) par la CEPT. 1984-1986 - Coopération franco-allemande. Développement de prototypes du Sous-Système Système Radio. 10

GSM - Historique 1985 - Appui de la Commission des Communautés Européennes. 1987 - La réunion du GSM à Bruxelles entérine les choix techniques. Protocole d accord pour l ouverture du GSM en 1991 dans treize pays européens. 1988 - Appel d offres pour la réalisation de réseaux pilotes. En France, deux consortiums sont choisis (Matra-Ericsson et Alcatel- Aeg-Nokia). 1990 - Le GSM rejoint l ETSI (European Telecommunications Standards d Institute) t et débute le travail de normalisation décomposé en plusieurs phases. 11

GSM - Historique 1991 - Première communications entre un abonné du réseau téléphonique et un terminal GSM de laboratoire est effectué (juillet). Adaptation des spécifications GSM pour développer des systèmes dans la bande des 1800 MHz (DCS 1800 Digital Communication System). 1992 - Ouverture commerciale officielle des deux opérateurs français (France Telecom et SFR) dans la bande des 900 MHz. Ouverture dans toute l Europe de réseaux GSM qui devient Global l System for Mobile communications. 1995 - Phase 2 des recommandations GSM : unification du GSM et du DCS 1800. 12

GSM -Historique 1997 - GSM regroupe 239 membres dans 109 pays différents (Afrique, Australie, Chine, Inde, Asie ). 2000 - En Mars, 350 réseaux GSM opérationnels avec plus de 300 Millions d abonnés 2001 - En Octobre en France, le nombre de mobiles dépasse le nombre de téléphones fixes (environ 25 millions). 13

Réseaux cellulaires l (GSM) -généralités é Réseau "ouvert" -PLMN (Public Land Mobile Network) C'est l'équivalent du Réseaux de Téléphonie Commutée Publique(Public Switched Telephone Network) pour les réseaux de téléphonie cellulaire Réutilisation des fréquences pour satisfaire un nombre maximal de liaisonsi téléphoniques avec un nombre limitéité de canaux radio. Il faut s'assurer que les interférences entre stations utilisant le même canal sont minimes - co-channel interferance Cellule - zone couverte par une station de base (antenne). Chaque cellule a alloué un nombre de canaux radio. Les cellules voisines utilisent des sets de canaux radio différents. Modélisation de la cellule sous forme de hexagone en général 14

Réseaux cellulaires laires (GSM) -généralités Zone de réutilisation - cluster Groupe de cellules l qui utilise la totalitét des canaux attribués au système sans répéter aucun canal radio L'intensité des interférences co-canal détermine le nombre de cellules d'un duncluster Si les dimensions d'une zone de réutilisation diminuent la capacité de trafic sur une surface donnée augmente Réseaux GSM - les motifs les plus utilisés sont les suivants: cluster de 7 cellules cluster de 4 cellules l Réseaux japonais ou américain - le plus souvent cluster de 21 cellules car la bande de chaque canal est plus étroite --> nombre plus grand de canaux et plus grande sensibilités aux interférences 15

Réseaux cellulaires laires (GSM) -généralités Station de base (Base Transceiver Station) - regroupement des équipements fixes du réseau d'émission-réception Différentes stratégies d'allocation des canaux radio aux BTS Allocation statique Allocation dynamique Configuration des antennes sur les cellules: Configuration équidirective -rayonnement identique dans toutes les directions Configuration sectorielle - rayonnement dirigé dans une zone donnée Secteurs de 120 Secteurs de 60 Configuration sectorielle quand il y a une forte densité d'abonnés 16

Déploiement réseau cellulairelaire Zone de couverture d une cellule l? Taille cluster? Zone de réutilisation de fréquences? Allocation de fréquences dans une cellule? Réponses: Modèles de propagation Défauts du canal radio 17

Déploiement réseau cellulaire Modèles de propagation Un signal comporte l'onde émise en trajet direct mais également les contributions sur la même fréquence de toutes les ondes réfléchis et réfractées par l'environnement L'émetteur et le récepteur ne sont pas en visibilité directe (habituellement) Le récepteur reçoit un ensemble des ondes réfléchis correspondant à des trajets multiples. Connaissant la place et la puissance de l'émetteur --> impossible de prédire avec précision le niveau de champ reçu en un point donné --> les équations de propagation utilisent des loi de probabilité 18

1. Affaiblissement de parcours : Défauts du canal radio Atténuation médiane du signal utile proportionnelle à la distance et à la fréquence Pour une plage des fréquences données : dist - Le coefficient d'affaiblissement = 2 (espace libre) à 4 (milieu urbain dense) Affaiblissement plus fort en milieu urbain Affaiblissement plus rapide au tour de 1800MHz (DCS) que à 900 MHz (GSM) 2. Effet de masque Représente une variation sur les conditions de propagation, p tantôt favorables, tantôt défavorables A une valeur de 6dB en milieu urbain 19

Défauts du canal radio 3. Évanouissements - dépendantes de la fréquence Dû à la réception multiple l des signaux d'amplitudes d et phases aléatoires correspondant aux différents trajets d'un même signal Trajets multiples (délais <5µs) -->intervalles de garde Les évanouissements sur un canal radio sont décorrélésélé d'une fréquence à une autre L'utilisation du saut de fréquence --> utilisation des plusieurs fréquences pour une communication diminue la probabilité des pertes de messages car redondance au niveau des messages dû aux techniques de codage Un message perdu par cause d'évanouissement sur une fréquence peut être reconstitué au niveau du récepteur grâce aux informations transportés par les messages transmis sur les autres fréquences. Codage de canal et entrelacements de slots temporaires Il est pris en compte en ajoutant une marge aux niveaux de puissance nécessaires 20

Zone de couverture re d une cellulele Prévision de la zone de couverture d'une cellule (négligeant l'évanouissement) Affaiblissement Effet de masque La puissance reçue > la sensibilité du récepteur Calcul de la puissance nécessaire de l'antenne Bilan de liaison - On tient compte de: la propagation de l'onde des interférences (C/I > 9dB) pertes sur les câbles gain des antennes Vi Voir TD 21

Taille du cluster Allocation des fréquences dans une cellule Perturbations ou interférences : Interférence co-canal due à l'interférence entre 2 transmissions radio sur le même canal alloué en 2 cellules différentes Perturbations dus à l'interférence avec le canal voisin dans le spectre de fréquences - caractérisés par ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) Perturbations dus aux inter modulations de 3 ème ordre (IMD - intermodulation distorsion) Voir TD 22

Zone de couverture d une cellule Affaiblissement Modèles macrocellulaires Model d Okumura-Hata Conditions d applications: Hauteur de l antenne de la station de base comprise entre 30m et 200m Hauteur de l antenne du mobil comprise entre 1m et 10m Distance entre le mobil et la station de base entre 1 et 20km Fréquence exprimé en MHz Model d Okumura-Hata dans le cas de GSM et de DCS pour une antenne mobile à 1,5m affaiblissement moyen en fonction de la distance Environnement Rural dégagé Rural semi-dégagé Urbain (ville moyenne) Hauteur antenne BS 100 m 100 m 50 m Atténuation à 950 MHz 90,9 + 31,8Log(d) 95,9 + 31,8Log(d) 123,6+33,8Log(d) en db Atténuation à 1795 MHz en db 97,0+31,8Log(d) 102,0+31,8Log(d) 133,1+ 33,8Log(d) 23

Modèle microcellulaire Zone de couverture d une cellule Affaiblissement En milieu urbain L antenne de la station de base est située entre 4m et 50m Puissance d émission faibles L antenne du mobile est a une hauteur entre 1m et 3m Le mobile est en visibilité avec la station de base Le trajet t de l onde direct est prépondérant Loi de propagation est : L= 42,6 + 20Log(f)+26Log(d) f- fréquence entre 800MHz et 2000MHz d distance > 0.02 km Lorsque le mobile n est plus en visibilité directe avec la station de base, on considère que les rues agissent comme guide d onde et on rajoute 20dB par coin de rue 24

Propagation à l intérieur r de bâtiments L'atténuation supplémentaire apportée par la traversée de bâtiment dépend de la nature des murs et de leur épaisseur Des mesures ont été faites à 900MHz et à 1800MHz pas d'étude publique disponible La pénétration d'une onde n'est pas possible lorsque l'épaisseur de l'obstacle >> longueur d'onde Les phénomènes d'évanouissement sont beaucoup plus importants à l'intérieur des bâtiments Plus la fréquence est haute, moins la pénétration (par réfraction) est importante et plus les réflexions sont grandes 900MHz pénétration plus facile L'effet guide d'onde est plus important à 1800MHz qu'à 900MHz il favorise la propagation p à l'intérieur du bâtiment Difficile à dire avec certitude quelle gamme de fréquence est plus adaptée 25

Architecture du réseau GSM

GSM Allocation des fréquences MS --> BTS : 890 MHz - 915 MHz (up link) BTS --> MS : 935MHz - 960 MHz (down link) DCS 1800 MS --> BTS : 1710 MHz - 1785 MHz BTS --> MS : 1805 MHz - 1880 MHz Largeur d'un dun canal 200 khz 124 canaux GSM (nombres de paires de porteuses ) 374 canaux DCS Chaque porteuse est identifié de manière unique par un numéro n appelé ARFCN (absolute radio frequency channel number) 27

Principales caractéristiques de l interface radio GSM Bande de fréquence GSM 890 915 MHz 935-960 MHz DCS 1710 1785 MHz 1805 1880 MHz Nombre d intervalles de 8 8 temps par trame TDMA Ecart duplex 45MHz 95 MHz Débit de la parole 13kbits/s ( 5,6kbit/s ) 13kbits/s (5,6kbit/s ) Débit maximal des 12 kbits/s 12 kbits/s données Accès multiple FDMA et TDMA FDMA et TDMA Rayon des cellules 0,3 à 30 km 0,1 à 4 km Puissance des terminaux 2W 1W 28

Répartition des fréquences en France L'Autorité de régulation des communications électroniques et des postes (ARCEP) gère le spectre fréquentiel Avant 2001 : Les 3 opérateurs français se partagent les canaux de la façon suivante (2001): Opérateur GSM 1 (France Telecom) : 1 à 50 Opérateur GSM 2 (SFR): 75 à 124 Opérateur GSM 3 (Boyugues télécomm) : canaux DCS Quelques canaux DCS sont localement utilisés par FT et SFR pour des tests 29

Répartition des fréquences en France Après 2001 : Bande 900MHz MHz duplex 01/01/1999 01/01/2001 Zones Orange SFR Bouygues Orange SFR Bouygues Peu denses 10 10 48 4.8 10 10 48 4.8 Moyennement denses 11 11 2.6 10 10 4.8 Denses 12.4 12.4 0 10 10 4.8 Très denses 12.4 12.4 0 12.4 12.4 0 Après 2001 : Bande 1800MHz : Chaque operateur a accès à la même quantité de fréquences 30

Réseaux multibandes Les recommandations GSM permettent deux types des réseaux: Réseau où une cellule comprend une seule bande (1) Réseau où une cellule peut combiner les deux bandes (2) Aujourd hui les terminaux sont bi-bandes Le terminal bi-bande se positionne sur la meilleure voie balise recue parmi les deux bandes dans le cas (1) Cas(2) l accès et la phase de signalisation se font pour tous les mobiles sur 900MHz. La communication aura lieu ensuite sur 900MHz ou 1800MHz 31

Réseaux multibandes Obs. importante : Mise en place de cellules l multi-bandes est complexe car la couverture à 1800MHz est différente de celle à 900MHz Atténuation de propagation différente en fonction de fréquence et classes de puissance de terminaux non similaires Le réseau doit estimer à partir de mesures faites en 900MHz que le mobile est bien dans la couverture de la cellule à 1800MHz Smart antenna = antennes adaptatives Constitué de plusieurs antennes distantes de λ/2 Beam forming: le signal reçu/transmis est une moyenne pondérée é des signaux de chaque antenne Réduction des interférences dans un réseau cellulaire, Voie descendante: d la BTS dirigei le faisceau vers le mobile Voie montante: la BTS reçoit les signaux seulement de la direction où se trouvent le mobile Gain de l antenne augmente Amélioration de la couverture 32

Public Land Mobile Network Un réseau de radiocommunication mobile peut se découper en 3 sous-ensembles: Le sous-système radio BSS (Base Station sub-system) Assure les transmissions radio et gère la ressource radio Le sous-système d'acheminement NSS (Network Sub-system) Les fonctions nécessaires à l'établissement des appels et à la mobilité Dans la phase 2 des spécifications GSM --> SMSS = Switching and Management Sub-System Le sous-système d'exploitation et de maintenance OSS (Operation Sub-System) Permet à l'exploitant d'administrer son réseau L'équipement terminal -Mobile Station - est alternativement inclus ou exclu du sous-systèmesystème radio suivant le contexte L'itinérance est assuré par la NSS La mobilité radio - handover est assuré par la BSS 33

BSS Architecture re GSM NSS (SMSS) BTS EIR HLR BTS BTS BTS BTS BTS BSC BSC BSC MSC MSC VLR VLR AUC R T C P GMSC 34

Mobile Station -MS Partie mobile du système Une carte SIM (Subscriber Identity Module) Contient les informations personnelles de l'utilisateur Permet de changer de mobile et de retrouver tous les services auxquels on est abonnée 4 classes de puissance sont définiesi Classe Puissance maximum GSM Puissance maximum DCS 1 1W (30dBm) 2 8W (39 dbm) 250mW( 24 dbm) 3 5W (37 dbm) 4W (36 dbm) 4 2W (33 dbm) 5 0.8 (29 dbm) 35

BTS -Base Transceiver er Station Regroupe le matériel d'émission-réception d'une ou plusieurs cellules l faisant ainsi i le lien entre les mobiles et le réseau. Capacité maximale : 16 porteuses Prend en charge la transmission radio: Modulation, démodulation, égalisation, codage correcteur d'erreurs Gère toute la couche physique Multiplexage TDMA, chiffrement, sauts en fréquences Réalise l'ensemble des mesures radio nécessaires pour vérifier qu'une une communication se déroule normalement Gère la couche liaison de données pour l'échange de signalisation entre les mobiles et l'infrastructure Les puissances des BTS sont regroupées en classes 36

BSC -Base Station Controller Organe "intelligent" du BSS : gère la ressource radio Commande l'allocation des canaux Utilise les mesures effectuées par le MS et la BTS pour contrôler les puissances d'émission du mobile et/ou de la BTS Prend la décision de l'exécution d'un handover Un BSC contrôle plusieurs BTS Les liaisons BTS-BSC BSC sont similaires au RNIS 37

MSC - Mobile services Switching Center Commutateur qui supervise plusieurs BSC. Le commutateur est un nœud important du réseau, il donne accès aux bases de données du réseau (HLR et VLR) et au centre d'authentification (AuC) qui vérifie les droits des abonnés Il assure également e la mobilité, le transfert intercellulaire eet la gestion des abonnés visiteurs. Certains MSCs servent de passerelles vers les autres réseaux, ils sont alors appelés G-MSC. 38

HLR - Home Location Register C est la base de données nominale qui contient les données des abonnés : IMSI (International Mobile Suscriber Indentity). MSISDN (Mobile Station International ISDN Number). Profil de l abonnement. Leur localisation approximative (identité du VLR associé). 39

VLR - Visitor LocationRegister Enregistre la localisation des visiteurs LAI - Location Area Identity Permet de localiser en permanence les abonnées présents et de suivre leurs déplacements Concerve les informations dynamiques relatives aux données de passage dans le réseau TMSI (Temporary Mobile Suscriber Identity) MSRN (Mobile Station Roaming Number) 40

OMC - Operation and Maintenance Center Entité de gestion et d'exploitation du réseau. Elle regroupe la gestion administrative des abonnées et la gestion technique des équipements EIR - Equipement Identity Register C'est Cest une base contenant les références des équipements autorisées à utiliser le réseau AUC - Authentification tifi ti Center Le centre d'authentification. C'est une base de données stockant les informations confidentielles Algorithmes d'authentification Les enregistrements IMSI 41

Architecture cellulaire Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Réseau GSM mondial HLR VLR VLR cellule cellule HLR- Home location Register : registre global VLR Visitor Location Register : registre local Zone de localisation 42

Mobilité Un numéro unique Roaming macro-mobilité Localisation du mobile où se trouve le mobile Paging recherche d un abonnée dans la zone de localisation Handover (hand-off) micro-mobilité mobilité le transfert d'un appel en cours (le mobile étant en mouvement) vers une outre station de base Si le mobile se déplace, les mesures de puissance reçue et qualité de signal vont varier de façon inversement proportionnelle p avec la distance de chaque BTS Des critères établis dans la norme permet de décider du changement de cellule serveuse (le handover) Ce système permet d'avoir davoir la meilleure liaison possible entre le MS et le réseau. 43

Architecture cellulaire -Roaming Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Sous-réseau Réseau GSM mondial HLR VLR VLR cellule cellule HLR- Home location Register : registre global VLR Visitor Location Register : registre local Zone de localisation 44

Localisation du mobile Zone de localisation Zone de localisation Zone de localisation Zone de localisation Zone de localisation Zone de localisation HLR Sous-réseau Commutateur 45

Localisation du mobile en réseau Le mobile s enregistre sur une zone de localisation Le mobile nes enregistre pas sur chaque cellule l de la zone de localisation : Economies de batteries sur le mobile Charge trop grande pour l interface radio trop de signaux à échanger entre la station de base et le mobile pour qu il s enregistre sur chaque station de base et donc ca enlève des ressources du système La dimension de la zone de localisation est établie par l operateur en fonction de statistiques faite par l operateur pour voir ce qu il y a de plus couteux : Paging Enregistrement du mobile Taux d appels entrants t Vitesse moyenne de mobiles Taille de cellules 46

Paging g Paging joindre l utilisateur dans une zone de localisation Le commutateur envoie le message à tous les cellules de la zone de localisation. Coût! Commutateur 47

Handover Mesures effectuées par le mobile La cellule serveuse est en général, la cellule dans laquelle se trouve le mobile MS (Mobile Station) à un instant donné. Cette cellule définie la fréquence utilisée pour toute transmission avec le réseau. Le mobile mesure en permanence la puissance reçue (RXLEV) et la qualité du signal (RXQUAL) de la cellule serveuse ainsi que des 6 cellules voisines ( liste envoyé par le réseaux) Le mobile envoi régulièrement ces mesures au réseau (toutes le 480 ms pour le système GSM) 48

Handover intra MSC 49

Handover intra MSC 50

Handover intra MSC 51

Interface radio : Modelé en couche et canaux logiques

Interface radio Fonctions de control (handover, établissement d une communication, surveiller son déroulement) Transmission des données => informations système, mesures de contrôle tôl «Voie balise» - lien secondaire en tache de fond du mobile avec le système 53

Interface radio et modèles en couchesches Interface radio orientée circuit Service de parole de type téléphonique à assurer Commutation des circuits Réservation des «tuyaux» synchrones pendant la durée d un appel téléphonique = canal de trafic = canal physique Pour fonctionner, ce canal de trafic doit être accompagner des canaux de contrôle Pour faire communiquer 2 entités dans un réseau via une interface fonctions classées en couches s inspirant du modèle OSI Les 3 couches basses (physique, liaison des données, réseau) contient t les éléments matériels et logiciels i l pour assurer une transmission. 54

Les différents canaux Canaux utilisateur Canaux logiques Trafic TCH (Bm ou Lm) Contrôle CCH (Dm) Canaux physiques No. SLOT (TN) No trame TDMA(FN) No Canal (ARFCN) Ressource physique 55

Canaux physique et logiques La norme GSM04.03 définie 2 catégories de canaux logiques: gq Canaux de trafic TCH = canal physique Canaux de contrôle Parmi les canaux logiques de trafic: Bm -bidirectionnel ou unidirectionnels Lm - capacités limitées 56

Canal Bm Canaux logiques de trafic Bm et Lm Transport de données vocales à 13 Kbps Transport de données à 14.5 12.6 ou 3.6 Kbps Bm bidirectionnel : TCH Full TCH/F Bm unidirectionnel uniquement Down link TCH /FD Canal Lm Transport de donnée à 6 ou 3.6 Kbps Dénomination TCH/H (Half) 57

Canaux logiques dédiés Fournit une ressource réservée à un mobile Attribue au mobile une paire de SLOTS - un en émission et un en réception - dans lequel il est seul à transmettre et à recevoir Dans la même cellule, aucun autre mobile ne peut transmettre ni recevoir dans le même slot à la même fréquence Les canaux logiques dédiés sont duplex TCH - trafic canal SACCH Slow Associated Control Channel contrôle des paramètres physiques de la liaison Transmet les SMS quand le mobile est en communication 58

Canaux logiques non dédiés Partagés par un ensemble de mobiles Sens descendant : mobiles à l'écoute du canal ( "réveil" d'un mobile) ex: appel entrant Sens montant : fonction d'accès multiple Les canaux logiques non dédiés sont simplex 59

Canaux logiques de contrôle Dm Broadcast Channel voie balise - unidirectionnel FCCH : Frequency Correction Channel Calage sur la fréquence porteuse SCH : Synchronization Channel transport les informations de synchronisation : BSIC et RFN=Reduced FN identification de la porteuse synchronisation en temps BCCH : Brodacast Control Channel point to multi points unidirectionnel (Down link). Il contient les données nécessaires à l'enregistrement du MS sur le réseau (info système : identité du réseau et ses caractéristiques d accès) 60

Canaux logiques de contrôle Dm DCCH: Dedicated Control Channel point to multi points bidirectionnel ou unidirectionnel SDCCH : Stand Alone DCCH --> bidirectionnel 598/765 Kbps Signalisation Transmission d un SMS quand le mobile est en veille FACCH: Fast Associated DCCH bidirectionnel 9.2 ou 4.6 Kbps associé à TCH handover SACCH :Slow Associated DCCH bidirectionnel ou unidirectionnel 115/300 Kbps ou 299/765 Kbps associé à TCH Supervision de la liaison 61

Canaux logiques de contrôle CCCH : Common Control Channel --> point to multi points bidirectionnel (ex: allocation des canaux dédiés é et des ressources) PCH : Paging g channel -- appel du mobile RACH: Random Access Channel est la partie Up link accès aléatoire du mobile AGCH : Access Grant Channel est la partie Down link allocation de ressource CBCH: Cell Broadcast Channel envoie de messages de service (SMSCB). Utilise les mêmes canaux physiques que les SDCCH 62

INTERFACE RADIO INTERFACE RADIO Canal de trafic, couche physique radio

Normes GSM Série Contenu 01.xx Aspects généraux 02.xx Définition de services 03.xx Aspects réseaux 04.xx Interface mobile réseau 05.xx Couche physique radio 06.xx Codage de la parole 07.xx Utilisation des services de donné es 08.xx Interface A (BSS-MSC) 08.5xx Interface Abis (BSC BTS) 09.xx Protocoles réseau 10.xx Plans de travail 11.xx Equipements et tests 12.xx Opération et maintenance 64

Introduction La couche physique radio est définie dans les normes GSM 05.xx C'est la partie la plus complexe et sophistiquée du système GSM 65

Couche physique radio Généralités Méthode d'accès multiple : TDMA/FDMA hopping ) avec saut de fréquence lent (SFH -slow frequency Modulation GMSK (270, 83 Kbps) Largeur des canaux: 200kHz UMTS largeur de canal 5MHz 66

Canal de trafic - TCH On présente le fonctionnement du canal de trafic --> traitements qui subit le signal de parole lorsque la communication est établie. Pas de présentation du fonctionnement des canaux de contrôle assure les fonctions d'accès, d'itinérance, de handover Description de la couche physique radio et du voice codeur =vocodeur 67

Partage des ressources rces radio Partage en fréquence FDMA Transmissions des signaux modulés au tour d'une porteuse=arfc (Absolute Radio Frequency Channel) Largeur de canal 200 khz Partage en temps TDMA Chaque porteuse est divisé en intervalles de temps appelés SLOTs T SLOT = 75/130 ms = 577µs T SLOT = 156.25 T bit Un slot contient un BURST (paquet de bits) La durée d'un BIT est de T bit = 3.692 µs 68

Partage des ressources radio - accès TDMA L'accès TDMA permet à plusieurs utilisateurs de partager une bande de fréquence Sur une même porteuse, les SLOTs sont regroupés par paquets de 8. La durée d'une trame TDMA est : T TDMA =8T SLOT =4,6152 ms LesSLOTssontnumérotésparunindiceTNde0à7 Un "canal physique" plein débit est constitué par la répétition périodique d'un SLOT dans la trame TDMA sur une fréquence particulière Chaque utilisateur utilise un SLOT par trame TDMA Il y alapossibilité d'allouer à un utilisateur qu'un slot toutes les deux trames TDMA --> canal physique demi-débit --> utilisables avec l'apparition de codeurs de parole plus performants 69

Canaux physiques simplex sans saut de fréquence Canal physique plein débit fréquences Slot =577μs Canal physique demi-débit C4 C3 C2 C1 C0 Trame TDMA temps 70

Partage des ressources rces radio - saut de fréquences SFH SFH -Slow Frequency Hopping - saut de fréquence lent FH/TDMA Pour les mobiles en arrêt ou se déplaçant lentement - GSM05.01 Changement de fréquence à chaque émission de BURST Permet de lutter contre les évanouissements grâce à de codage redondantes Calibre le système sur un cas moyen plutôt que sur le pire cas (diversité de brouilleurs) Le saut de fréquence n est pas activé quand la charge du réseau est faible. A charge importante, le SFH apporte un accroissement notable. 71

Partage des ressources radio - saut de fréquences SFH Le saut de fréquence permet de créer une diversité de brouilleurs et ainsi améliorer le rapport C /I moyen Dans les zones urbaines, les systèmes GSM sont principalement i limitésité par les interférences. Le saut de fréquence a pour objectif de moyenner le niveau d interférence global sur toutes les porteuses plutôt que d avoir un niveau de brouillage élevé sur certains porteuse uniquement. Pire cas : le signal utile provient du MS situé en bordure de cellule et il y a six signaux interférents provenant de mobiles situés à l'extrémité de leur cellule. Considérons une seule cellule perturbatrice. 72

Partage des ressources radio - saut de fréquences SFH A(f1) B(f2) C b C a T(f3) Z(f2) C d Y(f1) Niveau de signal en db C a I y D(f3) C/I C D I T C/I 73

Partage des ressources radio - saut de fréquences SFH A(f1,f2,f3) B(f1,f2,f3) C b C a T(f1,f2,f3) Z(f1,f2,f2) C d Y(f1,f2,f3) Niveau de signal en db D(f1,f2,f3) C A I Y IZ C/I moyen I T 74

Partage des ressources radio - saut de fréquences SFH Si le MS peut utiliser l'ensemble des fréquences d'une BS et les séquences de fréquences utilisées sont pseudo-aléatoire Le MS est brouillé par des mobiles différentes à chaque émission Le pire cas peut toujours se produire, mais pas pendant toute la communication Amélioration du rapport signal/interférence C/I Tenant compte d'entrelacement et codage redondant --> réception correcte du signal lorsque le niveau moyen de C/I >seuil, même si pour certain échantillons le C/I << seuil 75

Partage des ressources rces radio - saut de fréquences SFH Les porteuses sont parcourues suivant un certain ordre défini par une séquence de saut Cette séquence de saut est définie sur un ensemble N de fréquences attribué à la BTS La séquence de saut peut être cyclique --> de période N Si la séquence de saut est pseudo-aléatoire --> période >N N max =64 Le saut de fréquences est autorisé seulement à l'intérieur de la bande GSM ou DCS 76

Partage des ressources rces radio - saut de fréquences SFH Génération de la séquence des fréquences: Un algorithme (défini dans la norme) génère une suite pseudo-aléatoire de nombres s i de 0 --> N-1 Il utilise comme argument le numéro de trame et un paramètre HSN (Hopping Sequence Number) compris entre 1 et N-1 Lors de l'allocation d'un canal la BTS précise au mobile un index MAIO(Mobile Allocation Index Offset) compris entre 0 et N-1 Le mobile détermine le numéro de la fréquence à utiliser en ajoutant (modulo N) l'index MAIO au nombre s i On n'obtient jamais le même numéro de fréquence pour le même slot Deux BTS utilisant les mêmes fréquences auront des HSN différentes pour obtenir des séquences de saut différentes car les suite pseudo-aléatoires générés sont non-corrélées. Le nombre N de fréquence à prendre en compte est définie pour chaque slot OBS : on a besoin d'un canal physique sans saut de fréquence BTS --> MS qui permet au MS de se rattacher à la BTS 77

Partage des ressources rces radio Pour éviter les interférences entre canaux adjacents il faut prévoir des intervalles de garde qui ne sont pas utilisées : En fréquence - bande de garde entre 2 bande utilisés En temps - temps de garde entre 2 BURSTs émis sur la même porteuse GSM : Pas de intervalle de garde en fréquence Temps de garde dans le slot lors de la transmission d'un BURST : 30µs. 78

Duplexage et numérotation de porteuses Canal duplex : voie descendante et voie montante f u (i) = f d (i) - W Ecart duplex GSM = 45 MHz et DCS = 95MHz Numérotation de porteuses: fréquence de la voie descendante: pour 1< n < 124 -->f d = 935 + (0.2 * n) Pour 512 < n < 885 --> f d = 1805,2 + ( 0,2 *(n-512) ) Le nombres de canaux duplex pour un système est de 8 * N porteuses 79

Compensation du temps de propagation aller-retourreto r Les différents utilisateurs sont à des distances variables de BTS --> délai de propagation différents 2 MS qui utilisent t des slots consécutif --> ne doivent pas envoyer de BURSTs qui se chevauchent dû aux temps de propagation différents 2 solutions: Augmenter le temps de garde --> temps de garde trop grande (jusqu au 200µs!!!) Compenser en gérant un paramètre TA (Time Advance) correspondant au temps de propagation aller-rétour. Le mobile éloigné doit avancer l'émission i de chacun de ses slots d'une durée égale au temps de propagation par rapport à l'instant nominal de début de slot 80

Chaîne de transmission Signal de parole Signal de parole Codec: codage de source, numérisation du signal Codec: reconstitution du signal analogique Codeur canal (protection contre les erreurs, redondance) Entrelacement, multiplaxage construction de burst Chiffrement Modulation Décodeur canal( a correction o et détection d'erreurs Désentralacement, démultiplexage, extraction d'information des bursts Déchiffrement Démodulation et égalisation 81

Transmission de la parole Codage de source --> codage compressif Codage de canal --> codage protecteur vis à vis d'erreurs La parole --> signal dans la bande de 300Hz à 3400 Hz --> est découpé en intervalles joints de durée 20 ms. Numérisation du signal de parole de durée 20 ms --> Codec de parole --> 260bits --> Débit 13k bits/s Parole non-protégée Codage de canal --> 456 bits --> parole protégée --> 22.8 kbit/s Parole paquétisée La transmission d'un "paquet" de 456 bits est effectué dans 8 trames TDMA consécutives Chaque demi-burst du paquet de parole i est combiné avec un demi-burst du paquet i-1 ou i+1 --> émission de burst complets dans les slots 82

Transmission de données et de la signalisation le codec est remplacé par une fonction d'adaptation qui transforme le flux de données transmis par le terminal en une suite de blocs de données structurés 48 bits de données sont transmis pendant 5 ms + 12 bits de contrôle - -> sous-bloc de 60 bits 4 sous-blocs sont groupés pour former un bloc de 240 bits/20ms Les mêmes traitements que pour la parole, mais avec des caractéristiques différentes 83

Codage de la parole Numérisation du signal analogique de la parole --> techniques habituelles donnent un débit trop important pour un canal radio où la bande est une ressource rare La parole est "re-synthétisé" é" à partir d'un filtre linéaire i excité par une succession d'impulsions adéquates Le système : RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction) 84

Le Vocodeur Le Vocodeur (GSM 06.10) attend 13 bits 160 échantillons PCM de Plutôt que de coder l'allure de l'enveloppe du signal vocal, le vocodeur analyse le signal à court et long terme au travers de filtres numériques récursifs excités par 13 impulsions de référence Les échantillons peuvent provenir d'un terminal analogique gq (la parole) ou bien d'un réseau de type numérique Échantillons analogiques - CAN sur 13 bits à 8 khz -fréquence d'échantillonnage - codage PCM Conversion 8 bits /13 bits --> suivant la technique de compression utilisée : Loi A - Europe Loi µ - Amérique 85

Vocodeur Schéma de principe du codec de parole 86

Contrôle des erreursrs Les 260 bits n'ont pas tous la même importance 3 groupes d'importance en fonction de leur sensibilité aux erreurs: Classe I.a - 50 bits très sensibles - on doit détecter tous les erreurs, masquage si une erreur non-corrigible est détecté protégés é par un CRC de 3 bits Classe I.b - 132 bits sensibles au erreurs Classe II - 78 bits les moins sensibles aux erreurs 87

Contrôle d'erreurs rs 2 types de codes : Codes en blocs cycliques utilisés en détection simple Indique au récepteur la présence d'erreur non corrigibles par le code convolutionnel Codes convolutionnels l qui assurent une correction efficace d'erreurs (algorithme de Viterbi) Permet l'abaissement du seuil de C/I à partir duquel une liaison est de qualité acceptable 50 bits + 3 bits CRC + 132 bits + 4 bits de "tail" -->189 bits --> codeur convolutionnel --> 378 bits en sortie + 78 bits --> 456 bits 88

Principe général : Entrelacement L'entrelacement est utilisé pour rendre plus aléatoire les positions des erreur qui arrivent généralement en salves dans le contexte radio Cette technique revient à mélanger (permuter) les symboles codés avant leur transmission pour augmenter en réception les performances de correction des codes correcteurs d'erreurs Inconvénient : le délai supplémentaire introduit (contrainte sévère pour la parole) Codage de canal redondant --> l'influence d'un bit perdure sur les 10bits suivants --> attentions aux erreurs groupés --> l'entrelacement va fragmenter ces paquets de bits et rendre leur correction possible Entrelacement t : Mélange de bits constituant un bloc codé Répartition des symboles mélangé sur un certain nombre de bursts 89

Entrelacement Les symboles pris en sortie de l'étage de protection sont rentrés ligne par ligne dans un tableau rectangulaire de 57 * 8 et ensuite lus colonne pas colonne. Colonne = demi-burst Chaque colonne est associé à une colonne de la trame de parole précédente ou de la trame suivante Dernière étape - on mélange à l'intérieur d'un dun burst les 2 colonnes --> les bits pairs d'un burst vont correspondre à une trame de parole (la plus récente) et les bits impairs à la trame de parole précédente L'entrelacement pour les données et la signalisation est différent 90

Entrelacement Trame TDMA i Trame TDMA i+1 57 lignes b0 b1 b2 b3 b7 b8 b9 b10 b11 b15 b16 b17 b18 b19 b23..... b448 b449 b450 b450 b455 8 colonnes 91

Format du burst Un slot = 156,25 bits Un burst = 148 bits Période de garde de 30,5µs (8,25 bits) La séquence de synchronisation i appelée séquence d'apprentissage est placé central dans le burst pour limiter les écarts de mesure (le canal est fluctuant) Séquence d'apprentissage = suite de bits avec de propriétés d autocorrelation ti Séquence d'apprentissage permet d'obtenir le profil des trajets multiples du canal essentiel à l'égaliseur li (par filtrage adapté) Pour permettre aux différents récepteurs de rejeter les bursts sur la même fé fréquence mais émis de sites distantes t (zone de réutilisation) on utilise des séquences d'apprentissage différentes qui marquent leur origine locale. 92

Format du burst 26 bits 57 bits + 1bit 57 bits + 1 bit Séquence Parole j d apprentissage Parole j+1/ j-1 3 bits 3bi bits Séquence d apprentissage: Spécifique à chaque station de base Permet la caractérisation ti du canal 93

Format du burst 94

Format du burst Burst normal --> transmission de la parole ou des données sur le canal TCH et de contrôle tôl Burst de bourrage --> contient à la place de données une séquence fixe ne portant aucune information. Il est utilisé par la BTS lorsqu'elle doit émettre un signal mais n'a pas d'information à transmettre (dummy burst --> DB) Burst de correction de fréquence(fb) -->forme le canal de correction en fréquence(fcch) --> pour le calage enfréquence Burst de synchronisation (SB) --> il transporte le numéro de la trame TDMA et l'identité du BTS (BSIC) Burst d'accès(ab) - ce burst est utilisé après un handover 95

Chiffrement Il est fait au niveau les plus bas de la chaîne de transmission Ou exclusif cus bit à bit à partir d'une du eséquence pseudo-aléatoire aéao e L'algorithme fourni en fonction de: l'heure locale du réseau, du numéro de trame FN, de la clé de session 2 mots pseudo-aléatoires de 114 bits chacun ( un pour la liaison montante, t l'autre pour la liaisoni descendante) d 96

Modulation Choix de modulation: L'occupation spectrale la plus faible possible Les facilités de démodulation et d'égalisation La contrainte d'enveloppe constante Le spectre (densité spectrale de puissance) est à priori infini 97

Modulation - Contrainte d enveloppe constante Modulation à enveloppe constante : PSK, FSK Modulation a enveloppe non-constante : ASK, QAM Système de télécommunication Bande de base Etage RF Amplificateur de puissance 98

Modulation - Contrainte d enveloppe eloppe constante Etage RF Amplificateur de puissance non-linaire distorsion du signal en amplitude et en fréquence Output PA Output saturation G 0 system response after linearization Input PA Input amplitude 99

Modulation - Contrainte d enveloppe eloppe constante Exemple : modulation 16 QAM Conséquences : Distorsion en amplitude du signal Signal d entrée dans le PA Signal de sortie du PA =signal émis 100

Modulation - Contrainte d enveloppe constante Exemple : modulation 16QAM Conséquences : distorsion en fréquence le spectre du signal dépasse le canal alloué et perturbe les communications dans les canaux adjacents!!! Canal Spectre du signal après passage dans le PA non-linaire OBS : QAM obligatoire pour assurer de très haut débit en UMTS HSPA 101

Modulation Modulation PSK (QPSK) Presque la totalité de l'énergie du signal est contenue dans le lobe central sur la fréquence f0 et de largeur 2/T Pourtant le premier et le second lobe latéral ne peuvent être négligés S(t) =a(t) cos( 2 f 0 t+ (t)+ 0 ) QPSK --> (t) = { 0, /2,, 3 /2 } 102

Modulation MSK Plus un signal contient de saut brusques d'amplitude et de phase --> plus son occupation spectrale est grande On limite l'ampleur de saut de phase possibles à /2 (on décale les trains binaires en phase et en quadrature d'un intervalle de temps égaleàt/2) --> Offset QPSK Pour rendre un spectre compact --> il faut adoucir les transitions entre les points de la constellation en les rendent progressives La phase varie linéairement pendant le temps d'1 bit Modulation MSK (Minimum Shift Keying) [-T bit /2, T bit /2] --> s(t) = cos( 2 f 0 t±( T b )t + 0 ) Au bout de temps bit --> la phase = 0 ± /2 Fréquence instantanée f=f 0 ±(4T b ) -1 MSK --> modulation de type FSK de déviation f=(2t -1 bit ) 103

Modulation GMSK Modulation GMSK -Gaussian filtered Minimum Shift Keying Les données passent d'abord par un filtre gaussien qui rend encore plus douces les transitions de phase La fréquence de la porteuse est ensuite modulée par ce signal avec un taux 1/2 L'écart phase du signal entre 2 intervalles de temps élémentaire ne dépasse pas /2 Le débit numérique est de 1/T bit, soit environ 270,833kbps GMSK -modulation d'enveloppe constante --> facilite la réalisation d'amplificateurs en s'affranchissant de contraintes de linéarité 104

Modulation GMSK Le principal intérêt de l'utilisation de cette modulation est la quasi inexistencei de lobes secondaires dans la représentation spectrale Filtre gaussian: B -bande passante à 3dB du filtre gaussian B=81.25kHz B * T bit = 0.3 h(t) ( ) 2-1 exp(-t 2 /(2 2 )) T T bit = ln 2 2 BT bit 105

Modulation FSK et GMSK Modulation très simple à obtenir par un VCO La démodulation utilise un PLL VCO Signal FSK s(t) Signal numérique en bande de base NRZ 0-1V 1 1V VCO centré sur f 0 et a une sensibilité de f Signal numérique en bande de base NRZ 0-1V 1 1V Signal FSK s(t) Filtre Gaussien passe bas h(t) PLL VCO Signal GMSK s(t) y(t) Si s(t) est à f 0 alors y(t) = 0V Si s(t) est à f 0 + f alors y(t) = 1V PLL centré sur f 0 Si s(t) est à f 0 - f alors y(t) = - 1V 106

Gabarit spectral d un dun mobile GSM Extrait de la norme GSM 107

Spectre de modulations GMSK et QPSK 108

Performances les performances sont caractérisés par le rapport C/(I+N) dans les réseaux chargés --> C/I pas de formule reliant directement le taux d'effacements ou le taux d'erreurs à C/(I+N) les performances s'expriment en particulier par 2 paramètres: Le taux d'effacement de trame ( FER -Frame Erasure Rate) Une trame effacé correspond à une trame détectée en erreur, grâce à une vérification de CRC et donc rejetée par la couche physique Le taux d'erreur par bit (BER -Bit Error Rate) -mesuré avant le décodage de canal Mesures effectuées par le MS: Le niveau de signal reçu RXLEV ( C+I+N) :-110dBm à 48dBm (codage sur 64 niveaux) --> algorithme de contrôle de puissance La qualité du signal reçu RXQUAL - quantifie le BER sur 8 niveaux 109

Commandes AT

Norme GSM Série Contenu 01.xx Aspects généraux 02.xx Définition de services 03.xx Aspects réseaux 04.xx Interface mobile réseau 05.xx Couche physique radio 06.xx Codage de la parole 07.xx Utilisation des services de données 08.xx Interface A (BSS-MSC) 08.5xx Interface Abis (BSC BTS) 09.xx Protocoles réseau 10.xx Plans de travail 11.xx Equipements et tests 12.xx Opération et maintenance 111

AT est l abréviation de ATtention. Commandes AT La commande AT est toujours présente pour commencer une ligne de commande sous forme de texte (codes ASCII). Les commandes permettent la gestion complète du mobile. Trois entités sont définies : TE : Terminal Equipment envoi i et affiche les commandes. TA : Terminal Adaptator interface entre l utilisateur et le mobile. ME : Mobile Equipment. Commandes AT à voir en détail et à manipuler en TP avec Guillaume Auriol. 112

GPRS General Packet Radio Service

Objectifs Mode paquet Support pour un bursty trafic ( trafic en rafale comme sur le Web) Utilisation efficaces des ressources radio Accès temps rapide (0.5 à 1 sec) Connectivité sur internet Coexistence avec GSM (parole) 114

GSN :GPRS support node On rajoute un commutateur de paquets au GSM GPRS Deux nœuds: SGSN : Serving GPRS Support Node Connexion avec la station de base (relais de trame), semblable au MSC Redirige les paquets entrant et sortant sur les utilisateurs attachés à la zone géographique gérée é GGSN : Gateway GPRS Support Node Connexion avec les réseaux de type paquet «Internet» Sert d interface avec les réseaux IP et X.25 externes Encapsulation des paquets avec le protocole GPRS (tunneling) Sécurité : assurée par le SGSN, comme dans GSM 115

Fonctionnement GPRS En GPRS un utilisateur peut avoir plus d un slot débit augmente Terminal GPRS : X + Y X nb. de slots sur la voie descendante Y nb. de slots sur la voie montante Val. Typiques : 3 +1 ou 4+1 Val. Max dans la norme GPRS: 8 + 8 Terminal A, B ou C Terminal A : plus d un slot alloué GSM et GPRS en même temps (Web et voix en même temps) p) Terminal B: 3+1 (4+1) soit GSM, soit GPRS à un moment donné Terminal C: 1 bouton qui change entre GSM / GPRS ; n existent pas En réalité : les porteuses GSM sont séparés des porteuses GPRS car dans le cas contraire c est difficile à gérer le système en pratique. 116

Fonctionnement GPRS Signalisation supplémentaire pour pouvoir distinguer la voix et les données : TBF: Temporary Block Flow TFI : TFI Temporary Flow Identity PDP: Packet Data Protocol Adresse IP dynamique numero de téléphone + adresse IP 3 classes de services: Paquets avec priorité haute, normale et basse Qualité des services : n est pas encore implémenté 117

Débits GPRS GPRS ne réserve pas de time slot de façon permanente comme pour une communication GSM classique GPRS utilise les time slots à la demande de façon dynamique En GSM le débit de données d un canal sur un slot est de 9,6 kbits/sec à 14 kbits/sec par une technique de commutation de circuit CSD : Circuit Switching Data Réservation d un time slot pendant la durée complète de la communication même si aucune donnée n est pas transmise En GPRS en moyenne 3 slots : 3 x 9,6 kbits/sec 20kbits/sec à 3 x 14kbits/sec 42 kbits/sec Commutation des paquets Sur 3 bits du slot de la voie descendante la BTS décide qui parmi les 8 utilisateurs va émettre sur le prochain slot de la voie montante 118

Interface radio GPRS Uplink C1 C2 C3 C4 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Downlink C1 C2 C3 C4 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 Utilisateur 1 - voix Utilisateur 2 - voix Utilisateur 3 - GPRS Utilisateur 4 - GPRS 119

Architecture re réseau GSM 120

Architecture re réseau GPRS 121

Exemple de routage d un paquet GPRS 122

Exemple d une connexion Internet à travers GPRS 123

EDGE Enhaced Data rate for GSM Evolution

EDGE Modulation 8 PSK : 3 bits / symbole Méthode de Gray 3 fois plus que en GSM (1bit/symbole) Coût des déploiement pour les opérateurs plus importants que pour le déploiement de GPRS Débit maximal en EDGE débit du GSM multiplié par 3 EDGE est installé que sur GPRS (commutation des paquets) EDGE n est pas installé sur GSM car personne ne veut du haut débit sur la voix 125

Débit EDGE Débit maximal EDGE : GPRS à 8 slots 8 slots x 14 kbits/sec x 3 =332 kbits/sec Débit max. EDGE = débit minimal UMTS EDGE est intéressant pour les opérateurs qui n ont pas acheté des licences UMTS Bouygues Telecom 126

Modulation 8-PSK Interface radio EDGE Le réseau et le mobile mesure le BER (Bit Error Rate) et ils font l adaptation du lien Si le BER mesuré est faible on élimine le codage débit des données augmente encore plus On rajoute le codage si les conditions de propagation sont mauvaises et si le réseau est chargé MCS : Modulation and Codage Scheme Attention : Vu le schéma de modulation 8 PSK il faut garder une mobilité FAIBLE car sinon il y a beaucoup des erreurs donc nécessité de retransmission donc le débit diminue!!! 127

Format du Burst en EDGE 58 SYMBOLES (174 bits) 26 SYMBOLES 58 SYMBOLES (174 bits) 3 symboles 3 symboles 128

Comparaison GSM - EDGE Canal physique GSM Débit physique par slot : 22,6 kbits/sec Débit des données: 9,6 à 14 kbits/sec Canal physique EDGE: Débit physique par SLOT : 69 kbits/sec Canal de trafic : E-TCH ( Enhanced trafic channel) 129

Introduction UMTS Basé sur des études menés au LAAS-CNRS en partenariat avec Freescale de 2002 à 2004 par Daniela Dragomirescu et Cedric Paris

Famille IMT-2000 Utilisé en Europe Présentation UMTS CDMA-2000 et UWC-136 aux Etats-Unis TD-SCDMA en Chine Standardisé par le 3GPP (3G Partnership Project) 131

Avantages de l UMTS: Présentation UMTS Augmentation du débit: de 14.4kbps à 2Mbps HSPDA : 10 Mbps Accès à Internet Amélioration de la qualité d écoute Norme compatible à é l échelle mondiale Meilleure Gestion des puissances d émission Dû à l utilisation du CDMA (Code Division Multiple Access) 132

Du GSM à l UMTS: Présentation UMTS 133

UTRA/FDD et UTRA/TDD Caractéristiques UMTS UTRA: Universal Terrestrial Radio Access FDD: Frequency Division Duplex TDD: Time Division Duplex UTRA /FDD Basé sur l interface W-CDMA Station de 1920-1980 MHz pour la Base voie montante et 2110-2170 MHz pour la voie descendante Voie descendante Voie montante Mobile UTRA /TDD Basé sur l interface TD-CDMA (TDMA avec étalement de spectre) 1885-19201920 MHz et 2010-2025 2025 Mhz Station de Base Voie descendante Voie montante Mobile 134

Caractéristiques UMTS 135

Caractéristiques UMTS Les Fréquences: DECT 1885-1900 UTRA/TDD 1900-1920 UTRA/FDD 1920-1980 Satellite 1980-2010 UTRA/TDD 2010-2025 Rien 2025-2110 UTRA/FDD 2110-2170 Satellite 2170-2200 Modulation QPSK Les Débits : Intérieur avec une mobilité réduite : 2 Mbps Milieu urbain à moins de 50Km/h : 384kbps Milieu rural jusqu à 300Km/h : 144kbps HSPDA : high speed paquet downlink accées : Débit : jusqu à 10 Mbps Modulation QAM 136

Caractéristiques UMTS L architecture du réseau UMTS UE: universal équipment= mobile UTRAN: Universal Terrestrial Radio Access Network Réseau d accès radio 137

Couche Physique UMTS UTRA/FDD => W-CDMA UTRA/TDD => TD-CDMA Différentes techniques d accès radio FDMA: Frequency Division Multiple Access TDMA: Time Division Multiple Access CDMA: Code Division Multiple Access 138

Couche physique UMTS Accès multiple FDMA: Frequency Division i i Multiple l Access 1er Génération 2e Génération avec TDMA 3e Génération avec CDMA Découpage en bande de fréquences 139

Couche physique UMTS Accès multiple TDMA: Time Division Multiple Acces Utilisé en GSM Une bande de fréquence découpée par un certain nombre d utilisateur en intervalle de temps 140

Couche physique UMTS Accès multiple CDMA: Code Division Multiplexage Access Utilisé en 3e Génération Plusieurs utilisateurs dans la même bande de fréquence Chaque utilisateur a un code Cela permet un plus grand nombre d utilisateur qu en TDMA Le CDMA donnera naissance au W-CDMA W-CDMA: Wideband CDMA CDMA large bande Utilise l étalement l t de spectre 141

Avantages du W-CDMA: Couche physique UMTS Accès multiple Moins sensible au bruit Spectre confondu avec le bruit Augmentation du nombre d utilisateurs Services hauts débits car bande de 5MHz Inconvénients : Débit chip plus élevé => support matériel et logiciel plus élaboré Interférence mutuelle entre les utilisateurs de la cellule Synchronisation temporelle précise Contrôle de puissance car effet proche lointain 142

Étalement de spectre : Couche physique UMTS Accès multiple Réalisé à partir d un code indépendant du message Permet de cacher le signal dans le bruit Avantage: S / N = ln(2) * C / B S: puissance du signal N: puissance du bruit B: largeur de la bande C: capacité du canal en bits Quand B augmente, S/N diminue 143

L étalement de spectre : Code de Walsh-Hadamard d Couche physique UMTS Accès multiple Avantage: Code orthogonaux Inconvénient: Mauvaise propriété intercorrélation Code de Gold Avantage: Bonne propriété d intercorrélation Inconvénient: Codes non orthogonaux Dans la voie descendante: Code de Walsh-Hadamard => Code de canalisation Identifier les utilisateurs dans une cellule Code de Gold => Code d embrouillage Identifier la station de base Dans la voie montante: Chaque utilisateur possède : un code de canalisation et un code d embrouillage 144

Couche physique UMTS 145

Architecture de la couche physique UMTS Couches supérieures Couche physique Source Binaire (données et signalisation) Multiplexage et codage canal Bits Passage de bit à symbole (de valeurs réelles à complexe) Symbole Étalement de spectre Chips Modulation RF Signal Transmis Couches supérieures Couche physique Bits estimés (données et signalisation) Démultiplexage et décodage canal Bits Détection (avec un récepteur RAKE) Symbole Désétalement de spectre Chips Démodulation RF Signal Reçus 146

Gabarit en fréquence Spectre 50 db 45 db 5 MHz 5 MHz 5 MHz Fréquence 147

Scénario de déploiement Edge WCDMA SGSN GPRS backbone Edge SGSN GPRS backbone SGSN GGSN BG GGSN Interoperator GPRS BG GGSN router Public Internet router router Backbone GGSN server 148

W - PAN Basé sur des études menés au LAAS-CNRS en 2005 par Daniela Dragomirescu et Aubin Lecointre

Introduction I IEEE 802.15.1 Bluetooth II IEEE 802.15.4 ZigBee III IEEE 802.15.3 - WiMedia IV UWB 150

Introduction ti IEEE 802.15 : les WPANs : IEEE 802.15 IEEE 802.15.1 : IEEE 802.15.3 : IEEE 802.15.4 : WPAN HR - WPAN LR - WPAN Pile Bluetooth Pile WiMedia Pile ZigBee Bande 2,4 GHz Bande 2,4 GHz Bande 08/09; 0,8/0,9; 2,4 24 GHz IEEE 802.15.3a : IEEE 802.15.3c : IEEE 802.15.4a : PHY alternative PHY alternative PHY alternative UWB Onde millimétrique UWB 3,1 10,6 GHz 57 64 GHz 3,1 10,6 GHz 151

I - IEEE 802.15.1 - Bluetooth I 1. La couche PHY I 2. La couche Baseband I 3. Les couches Link manager et L2CAP 152

I - IEEE 802.15.1 1 - Bluetooth th 3 versions de Bluetooth : v1.1, v1.2, v2.0 Quelques caractéristiques : Réseau ad hoc, temporaire Canaux synchrones et asynchrones Notions de QoS Relation maitre esclave Topologie étoile : piconet et scatternet 153

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 1. La couche PHY Le spectre : 79 canaux De 1 MHz Bande ISM : 2,4 2,4835 GHz Intervalles de garde de 2 MHz et 3,5 MHz Puissance d émission : 3 classes : De 1 mw a 100 mw De 0,25 mw a 2,5 mw <= 1 mw Contrôle de puissance + RSSI Sensibilité du récepteur : -70 dbm @BER de 0,1% 154

La modulation : I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 1. La couche PHY GFSK : Gaussian Minimum i Shift Keying @ 1Mbauds +mod/démod simple + Occupation spectrale limitée + 1 MHz a 20 db + faible coût - Peu performante 155

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 1. La couche PHY Frequency Hop Spread Spectrum : FHSS : Portée radio : 10 m Débit Binaire : 1 Mbits/s 1600 hop/s Sur 79 canaux 625 us / canaux Séquences adaptatives d une période é de 23 H Facilite la cohabitation sur bande ISM 156

I IEEE 802.15.1 1 - Bluetooth 2. La couche Baseband Accès au media Découverte et interconnexions des noeuds Rôle maître/esclave Saut de fréquence Types de paquets Détection et correction d erreur Brouillage, cryptage Transmission, retransmission des paquets 157

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 2. La couche Baseband Canal radio découpe en slot temporel de 625 us et par FHSS Accès au media : TDD TDMA Polling du maître vers les esclaves 158

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 2. La couche Baseband Deux types de liens : SCO : Synchronous Connection-Oriented : Réservation de slot Transfert de la voix Paquet prioritaire Point à point 1 paquet pour 1 slot Symétriques Pas de retransmission ACL : Asynchronous Connection-Less : Point a multipoint 1 paquet : 1, 3 ou 5 slots Retransmission 159

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 2. La couche Baseband 160

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 2. La couche Baseband Besoin de synchronisation Piconet = 1 séquence FHSS + horloge de synchro 161

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 2. La couche Baseband Gestion de l énergie : 162

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 3. Les couches Link Manager et L2CAP Link Manager utilise LMP Link Manager Protocol Allocation de bande passante Authentification Cryptage Fiabilité des communications, intégrité Gère les modes de consommations Détermine le niveau de puissance d émission L2CAP : Logical Link Control and Adaptation ti Protocol Multiplexage des protocoles supérieurs Segmentation/re-assemblage des paquets HCI : Host Controller Interface 163

I IEEE 802.15.1 - Bluetooth 3. Les couches Link Manager et L2CAP 164

I IEEE 802.15.1 1 - Bluetooth th Bluetooth 2.0 EDR : Enhanced Data Rate 2 modes : Mode basique : Mode EDR : GFSK à 1Mbauds π/4-dqpsk ou 8DPSK à 1Mbauds 1 Mbits/s 2 et 3 Mbits/s simplicité E/R Pmoy EDR < Pmoy GFSK Produits 165

I IEEE 802.15.1 1 Bluetooth th + Maturité de la pile et de la technologie + Standard largement adopté et déployé + Support voix et données + Bande ISM libre - Pile complexe + Réseau ad hoc, fiable, sécurisé + Supporte le trafic fréquent + Routage multi saut (scatternet) + 3 Mbits/s + QoS + Bonne immunité, coexistence + Piconets, noeuds s organisent seuls + Accès au media rapide < 2ms - Une seule topologie - 8 noeuds actifs /piconet - Consommation -Latence 166

II IEEE 802.15.4 - ZigBee LR WPAN : Low Rate WPAN Facilité d installation Fiabilité Courte portée Très basse consommation Faible coût Protocole simple et flexible 167

2 types de nœuds II IEEE 802.15.4 - ZigBee FFD : Full Function Device RFD : Reduced Function Device 168

II IEEE 802.15.4 ZigBee 1. La couche PHY Spectre : 27 canaux sur 3 bandes, dont 16 sur la bande ISM Modulation : OQPSK @ 62,5 kbauds + étalement de spectre 169

II IEEE 802.15.4 ZigBee 1. La couche PHY Modulation (suite) : 170

II IEEE 802.15.4 ZigBee Puissance d émission / réception : -3 dbm TX - 85 dbm RX Portée radio : 10 m Receiver ED : Energy Detection LQI : Link Quality Information CCA : Clear Channel Assessment 1. La couche PHY 171

II IEEE 802.15.4 ZigBee 1. La couche PHY IEEE 802.15.4a UWB ou CSS Localisation Amélioration des performances 172

II IEEE 802.15.4 ZigBee 2. La couche MAC Emission/Réception des paquets MAC via PHY Gestion de la super trame et des balises L accès au media Gestion des GTS Fournir un lien fiable entre 2 entités MAC Mécanismes basse consommation 173

Balises et super trame : II IEEE 802.15.4 ZigBee CAP / CFP Slotted CSMA/CA GTS, Guaranteed Time Slots 2. La couche MAC 174

II IEEE 802.15.4 ZigBee 2. La couche MAC Absence de super trame : Unslotted CSMA/CA CCA, Clear Channel Assesment Lien Fiable Gestion de l énergie : Low Duty Cycle 175

Les couches ZigBee II IEEE 802.15.4 ZigBee Coexistence CCA, ED, LQI Réduction de la durée de l état actif Modulation Faible puissance de transmission Alignement et sélection canaux 176

II IEEE 802.15.4 - ZigBee Produits : Freescale Ember ChipCon 177

II IEEE 802.15.4 - ZigBee Faible consommation Faible coût Pile simple 2 types de nœuds / pile Service fiable Self-healing, li self-organising i 65000 nœuds / WPAN - Débit limité Plusieurs topologies - RAM supplémentaire pour coordinateur Connexion rapide au réseaué Latence faible Routage multi sauts Lien sécuriséé é Pilotage par µc Bonne résistance interférences/cohabitation 178

III IEEE 802.15.3 - WiMedia HR WPAN : High Rate WPAN Objectifs : Haut débit Multimédia : support : voix, vidéo,. Réseau ad hoc Solution de petite taille Faible coût Faible consommation simple 179

Réseau ad hoc Portée radio 10 m QoS Pile peu complexe Topologie dynamique III IEEE 802.15.3 - WiMedia 180

Spectre : III IEEE 802.15.3 WiMedia 1. La couche PHY Bande ISM : 2,4 2,4835 GHz 5 canaux de 15 MHz Modulation 181

III IEEE 802.15.3 WiMedia 2. La couche MAC TDMA, aloha et CSMA/CA Procédures de connexion : simple, rapide Decouverte des services Lien fiable Gestion de l énergie : 4 modes Contrôle de la puissance de transmission Sélection du canal Scan de canal 182

III IEEE 802.15.3 - WiMedia Mécanismes de sécurité : Cryptage par clés Intégrité des donnéesé Authentification Mécanismes de coexistences : Scan des canaux Sélection des canaux Contrôle de la puissance LQI et RSSI Partage d un canal par plusieurs piconets 183

Ultra WideBand IV UWB 184

IV - UWB UWB Impulse Radio, Carrier Less Bande unique TH UWB DS - UWB Single Carrier DS CDMA ou DS - UWB Multi bandes MC CDMA MC DS CDMA MT CDMA Spectral Keying M TOK UWB WM UWB MBOA (OFDM) 185

IV UWB 1. Impulse Radio, Carrier Less IR UWB, le bilan : Train d impulsions de courte durée + faible rapport cyclique Modulation d impulsion orthogonales/antipodales Étalement de spectre : TH / DS Accès multi utilisateurs Localisation possible + Simple + Bas coût + Bande de base + Faible consommation + CMOS + Loi de Moore + Capacité d adaptation - Générer l impulsion -Optimisation du spectre 186

IV UWB 2. Single Carrier Étage RF : IR - UWB Porteuse + Mixer Filtre passe bande Centrer le spectre autour d une porteuse Mise en forme via le filtre Optimiser le gabarit du spectre 2 techniques : DS-CDMA UWB et FM - UWB 187

IV UWB 2. Single Carrier DS-CDMA UWB : 188

FM UWB : IV UWB Enveloppe constante Étalement de spectre analogique : 2. Single Carrier BP 2.( m 1 ). f m 189

IV UWB 2. Single Carrier Spectre : Bilan FM UWB : + Technique simple + Spectre + Multi utilisateurs possible + Localisation possible + Basse consommation 190

IV UWB 3. Multi bandes Maximiser l utilisation du spectre Faciliter la cœxistence Optimiser le multi utilisateurs Découpe du spectre 191

Les techniques : IV UWB 3. Multi bandes MC-CDMA, DS-CDMA, MT-CDMA : 192

IV UWB 3. Multi bandes 2 standards basés sur UWB : 802.15.3a : MBOA, MultiBand OFDM Alliance DS UWB : Direct Sequence UWB 802.15.4a : M-TOK UWB : Multiband Ternary Ortogonal Keying UWB Récapitulatif : + Moins sensible aux ISIs + Circuit moins rapides + Cohabitation des piconets + Très bonne résistance aux interférences + Optimisation du spectre + Pulse plus facile a générer + Énergie des multi trajets - circuits plus complexes - synchronisation plus difficile - circuit pour changement de sous bandes rapides 193

MB OFDM : Spectre : IV UWB 3. Multi bandes a. 802.15.3a : MBOA Problèmes propagations multi trajets et ISIs Pas d égalisation Band Group BAND_ID Center Frequency (MHz) 1 3432 1 2 3960 3 4488 4 5016 2 5 5544 6 6072 7 6600 3 8 7128 9 7656 10 8184 4 11 8712 12 9240 5 13 9768 14 10296 194

IV UWB 3. Multi bandes a. 802.15.3a : MBOA TFC : Time Frequency Coding TFI : Time Frequency Interleaving FFI : Fixed Frequency Interleaving 195

Modulation : IV UWB 3. Multi bandes OFDM(IFFT) + QPSK + interlevear a. 802.15.3a : MBOA 196

IV UWB 3. Multi bandes a. 802.15.3a : MBOA a[i] Interleaver à 3 niveaux : a S [i] a T [i] Symbol Tone Cyclic Interleaver Interleaver Shifter Débit : de 53 a 480 Mbits/s Portée <=10m b[i] Process TX (55 Mb/s) TX (110, 200 Mb/s) RX (55 Mb/s) RX (110 Mb/s) RX (200 Mb/s) 90 nm 85 mw 128 mw 147 mw 155 mw 169 mw 130 nm 104 mw 156 mw 192 mw 205 mw 227 mw Process7 Complete Analog* Complete Digital 90 nm 3.0 mm 2 1.9 mm 2 130 nm 3.3 mm 2 3.8 mm 2 197

HR - WPAN IV UWB Compatible MAC IEEE 802.15.3 DSSS + BPSK ou 4BOK De 28 à 1320 Mbits/s Spectre : 3. Multi bandes b. 802.15.3a : DS - UWB 198

Conclusions Propagation du signal dans le cadre de réseaux cellulaires Déploiement de réseaux cellulaires L'interface radio GSM dans sa complexité: Partage de la ressource radio : TDMA /SFH Codage de la parole Codage de canal Entrelacement Multiplexage TDM /SFH Modulation Canaux logiques - canaux physiques GPRS/EDGE Introduction à UMTS WPAN : Bluetooth, ZigBEE, Wi-Media UWB 199