Les communications hertziennes

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2 Les communications hertziennes
mars 17 Les communications hertziennes Jean-Claude Bellocq CITI Dept TELECOM, INSA BAYONNE

3 Introduction Les communications hertziennes, ou radiocom. =
mars 17 Introduction Les communications hertziennes, ou radiocom. = exploitation du spectre électromagnétique en champ libre pour effectuer de la transmission d’information.

4 I-Les applications La diffusion La liaison point à point L’accès fixe
mars 17 I-Les applications La diffusion La liaison point à point L’accès fixe Les radio-mobiles Les réseaux cellulaires

5 mars 17 La diffusion Principe = diffusion d ’information sur 1 zone géographique. Caractéristiques 1 liaison simplex (sens descendant) 1 émetteur fixe omnidirectionnel des récepteurs directionnels Applications TV, radiophonie, signalisation...

6 La liaison point à point
mars 17 La liaison point à point Principe = Relier 2 sites par un canal de transmission non câblé. Caractéristiques : 1 liaison simplex ou duplex 2 E/R fortement directionnels et bien orientés points relais (terrestres, satellites) Applications ponts radios, liaisons satellites

7 mars 17 L ’accès fixe Principe = Permettre la transmission d ’information entre 1 point d ’accès fixe et 1 utilisateur fixe Caractéristiques : 1 liaison duplex 1E/R omnidirectionnel 1 E/R fortement directif Applications La Boucle Locale (Radio ou satellite)

8 mars 17 Les radio-mobiles Principe = Permettre la transmission d ’information entre 1 point d ’accès fixe et 1 utilisateur mobile Caractéristiques : 1 liaison duplex 2 E/R omnidirectionnel Applications radio-taxis, médecins ...

9 Les réseaux cellulaires
mars 17 Les réseaux cellulaires Principe = permettre l ’extension de la zone géographique couverte et l ’augmentation du nombre d’utilisateurs Caractéristiques : liaisons duplex E/R omnidirectionnel 1 sous-réseau fixe de points d ’accès (cellules) Applications la téléphonie mobile, les réseaux radio

10 mars 17 II-Un peu d’histoire

11 mars 17 II-Un peu d’histoire : découverte, expérimentation des ondes EM 1873 : l ’anglais JC Maxwell prédit l ’existence des ondes EM. 1887 : l’allemand H. Hertz observe les ondes EM. 1890 : le français E. Branly réussi à capter ces ondes (1ère antenne??). 1895 : 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. 1924 : Première utilisation de la radio mobile par la police américaine. 1927 :1ère liaison radiophonique Londres-New-York. 1ère phase = “ préhistoire ” des systèmes radio-mobiles 2ième phase : développement d’applications 1898 : Marconi met en place la 1ère liaison radio transatlantique entre Europe et USA 1902 : 1 station militaire pour le télégraphe est constituée d’un moteur à essence pour tracter le système de comm, consistant en 1 générateur de 1kW, monté sur un eremorque, suivi d’une autre remorque pour l’émetteur et le récepteur. Puis les technologies évoluent : l’apparition des diodes, puis des triodes…. 1957 : invention du transistor, qui permet la miniaturisation des systèmes D’abord destiné aux systèmes professionnels, le développement aux USA est important à partir des années 50.(+ de 10 millions d’utilisateurs aux Etats-Unis en 1960) 1ère conférence de la WARC en 1906, et 1ères recommandations pour l’attribution des fréquences. (rem : en 1912, la WARC ne réglemente que les fréquences en dessous de 3MHz, jugeant les fréquences supérieures inutiles pour une quelconque application commerciale.)  : augmentation de la bande de fréquence et mise en place de réseaux radio en modulation de fréquence.

12 mars 17  : augmentation de la bande de fréquence et mise en place de réseaux radio en modulation de fréquence. Satellites 1935 : 4 liaisons téléphoniques intercontinentales depuis Paris. 1945 : Arthur C. Clarke propose les satellites géostationnaires pour la communication. 1955 : début des 1ères liaisons radio (160MHz) à Paris (taxis, médecins) 1957 : lancement de Spoutnik-I par les soviétiques 1970 : fin des ondes courtes pour la radiophonie : remplacées par les satellites.

13 1970-2000 : développement du cellulaire, apparition du numérique
mars 17 : développement du cellulaire, apparition du numérique 1969 : les Bell labs inventent le concept du cellulaire : le cellulaire analogique se développe. 1979 : système cellulaire NTT au Japon 1983 : allocation des fréquences pour l ’AMPS (Advanced Mobile Phone Service) aux USA. 1985 : en France, Radiocom2000, en Angleterre le TACS en //, développement des systèmes sans cordon depuis 1990 : Systèmes à modulation numérique USA : USDC(91) , DCS-1900 (94), IS-95 (95) Europe : GSM (90), DECT (93), DCS-1800 (93) Japon : JTACS (88), PHS (cordless system, 93) 3ième phase : les systèmes mobiles Dans les années 60, les Bell labs proposent le principe du cellulaire. Il est une réponse à l’augmentation de la demande et à la faible disponibilité du spectre radio. Le cellulaire analogique se développe à partir des années 70 : 1979 : 1er système cellulaire AMPS (Advanced Mobile Phone Service) à Chicago 1981 : le NMT dans les pays scandinaves 1985 : en France, Radiocom2000, en Angleterre le TACS 1986 : en Allemagne, le C450 Se développent en // les systèmes sans cordon (pour reprendre la terminologie américaine). Début des années 90 : radiomessagerie puis le GSM en europe… Critères d’évolution : étapes clés : La modulation numérique (début des années 90 aux USA : USDC, IS-95,… en Europe GSM). (amélioration du débit) Les techniques de codage de la voix (passage de 64kb/s à 13kb/s en – de 10ans) Les architectures plus sophistiquées La planification

14 Aujourd’hui Tendances cellulaire (GSM 900MHz, DCS 1800MHz, UMTS)
mars 17 Aujourd’hui cellulaire (GSM 900MHz, DCS 1800MHz, UMTS) communications internationales : 70% par cables sous-marins, 30% par satellites Tendances apparition de l ’internet et multimédia mobiles (l ’ère du service) convergence voix-données interconnexion des systèmes réseaux sans fil (pico-cellules) : WiFi, Bluetooth, ... Techniques : smart antennas, UWB (ultra wide band)

15 III-Le spectre électromagnétique
mars 17 III-Le spectre électromagnétique C ’est une denrée rare à partager Nécessité d ’attribuer une bande de fréquences pour 1 application donnée Adapter la largeur de spectre et le choix de la fréquence aux besoins de chaque applications

16 (régulier sur une échelle logarithmique)
II-1. Le spectre radio B) Définition de bandes (ex: UHF) normalisation (régulier sur une échelle logarithmique) f0 =1GHz flow ~f0/3,16 fhigh ~3,16.f0 Df ~2,8. f0 =2,8GHz fhigh =10.flow

17 mars 17 Systèmes de Télécommunications, P.G. Fontolliet. Traité d ’électricité, vol18, editions EPFL

18 ONU http://www.itu.int ITU-D ITU ITU-T ITU-R TSB IFRB GCNT
mars 17 ONU - Europe,Afrique,Moyen-Orient - Amérique,Groenland - Asie, Océanie ITU-D ITU -WTSC -normalisations -radiocoms -organise WRC - techinque - réglementation ITU-T (ex CCITT) ITU-R TSB L ’ITU (International Telecommunications Union, initialement Union Télégraphique Internationale, 1865) est une agence de l ’ONU (basée à Genève). 150 membres des différents gouvernements. 3 régions. 3 groupes : UIT-R, UIT-D, UIT-T Acronymes : ITU (International Telecommunications Union), WRC (World Radiocommunications Conference), WTSC (World Telecom. Standardisation Conference), IFRB (International Frequency Registration Board), TSB (Telecom. Standardisation Office), GCNT (Groupe Consultatif de la Normalisation des Télécoms). IFRB -gardien du spectre - enregistre les fr.radio - liens avec admin locales GCNT

19 http://www.etsi.org ... CEPT ... France (ART) ... ... ETSI - Rapports
mars 17 CEPT ... ... France (ART) - Rapports -Recommandations -Décisions ... ... TC ETSI CEPT : regroupe les administrations régulatrices de tous les pays membres. Pour la partie radio, elle est composée du Comité Européen des Radiocommunications (ERC) qui comprend 3 groupes de travail permanents. 3 types de documents : - les rapports = étude technique sur un sujet particulier - les recommandations = conseils pour le développement des com radios - décisions = recommandations que les états s ’engagent à appliquer LA CEPT travaille avec l ’ETSI : ETSI(European Technical Standard Institute)=opérateurs+administrations+constructeurs. Exple : LA CEPT a décidé en 1982, l ’étude d ’un système pan-européen de communications avec les mobiles. L ’ETSI établi des comités techniques, qui eux-mêmes établissent des sous-comités. Ces sous-comités élaborent, rédigent, assurent la maintenance des normes européennes de télécoms. =ETS European Telecommunication Standard L ’ETSI rédige également des rapports techniques = ETR European Technical Report Par exemple, l ’ETSI a déjà publié les recommandations : GSM, DECT, ERMES, TETRA, HYPERLAN. Acronymes : ART : Autorité de Régulation des Télécoms, CEPT : Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications), ERC (European Radio Committee) administration STC STC ... opérateurs constructeurs - standards (ETS) - rapports (ETR)

20 IV- Présentation du cours
mars 17 IV- Présentation du cours Antennes et émetteurs Milieu de propag Source Destinataire Dem canal Rx Cod Tx Mod Canal radio Codage, égalisation, brouillage Le schéma bloc d ’une transmission numérique sans fil est donné à la figure ci-dessous. La source est supposée binaire, et est décrite par ses propriétés statistiques (moyenne, variance, corrélation…). Elle débite l’information à un débit constant (ou pas). Le codage canal regroupe : - protection contre les erreurs - protection contre les éventuels “ pirates ” = brouillage Le transmetteur (Tx) regroupe essentiellement le traitement analogique: - la modulation peut y être intégrée, à partir du signal en bande de base. - l’amplification - l’antenne (le passage du signal électrique au champ électrique) C’est l’étape d’adaptation du monde numérique au monde physique (donc analogique). Le canal, bien que virtuel permet de schématiser tous les effets potentiellement liés à la propagation (affaiblissement, réflexions, bruit,…) .

21 La liaison radio Gain d’antenne Affaiblis- sement Evanouis- sements
Fast Fading Gain d’antenne Bruit additif

22 Les transmetteurs A A feeder feeder Gain d’antenne Affaiblis- sement
mars 17 Les transmetteurs feeder feeder A A Les caractéristiques du transmetteur : Amplificateur + feeder + antenne. Emission ou Réception ou les 2. L ’Amplificateur : C ’est l e dernier élément de l ’émetteur. Ses caractéristiques principales sont le gain, la bande passante, sa non-linéarité, son impédance. Le feeder : c ’est le câble de raccordement entre l ’émetteur et l ’antenne. Ses caractéristiques principales sont : l ’impédance caractéristique, et son coefficient de propagation en fonction de la fréquence (bande passante). L ’antenne : c ’est l ’élément clé qui effectue la conversion d ’un signal électrique en onde électromagnétique (et vice-versa). Ses caractéristiques principales sont : son gain, son diagramme de rayonnement (directivité), son impédance caractéristique, sa bande passante. Gain d’antenne Affaiblis- sement Gain d’antenne Bruit additif

23 Les transmetteurs Les antennes Cours : ~7h TD : 4 à 5 séances
mars 17 Les transmetteurs Les antennes principes le doublet caractéristiques d ’antennes les antennes filaires les antennes de surface Cours : ~7h TD : 4 à 5 séances TP : abordé dans certains TP

24 Le milieu de propagation
mars 17 Le milieu de propagation Milieu de propag Bruits La propagation des ondes en milieu réel est sujet à de nombreux phénomènes : réflexions, diffusion, diffraction. Ces effets modifient la qualité des liens radio. Le bruit altère également les communications et joue un rôle prépondérant dans l ’estimation de la capacité des systèmes de transmission. Cette partie se termine sur une description des méthodes permetttant de prédire la propagation. L ’application principale est l ’aide au déploiement et au dimensionnement de réseaux mobiles, des systèmes de diffusion ou de liaisons radio. Affaiblis- sement Evanouis- sements Fast Fading

25 Le milieu de propagation
mars 17 Le milieu de propagation Effets de propagation Caractérisation Sources de bruit modèles de propag. pour la planification Cours : ~4h TD : 2 séances TP : transversal à tous les TPs (4).

26 Canal radio en bande de base
mars 17 Le canal radio Milieu de propag Canal radio Canal radio en bande de base Mod Dem Tx Rx Mod Dem Le canal radio : le canal radio est en quelque sorte un canal virtuel (par opposition aux canaux filaires). C ’est une modélisation globale de la chaine de transmission incluant les effets de propagation et les antennes. C ’est donc la modélisation système = description par sa fonction de transfert, ou réponse impulsionnelle. Pour s’affranchir des problèmes de modulation/démodulation, on peut ramener l ’étude en bande de base. C ’est donc la modélisation d ’un canal numérique, avec ses propriétés de transmission. Capacité de canal, taux d ’erreur, échos multiples ...

27 Le canal radio Signal radio Canal radio Modélisation en bande de base
mars 17 Le canal radio Signal radio codage, modulation Canal radio évanouissements, étalements temporels... Modélisation en bande de base Cours : ~4h TD : 2 séances

28 Etude des systèmes Milieu de propag Mod Dem Tx Rx mars 17
La mise en place d ’un système radio doit donc intégrer l ’ensemble de ces problématiques.

29 Les systèmes Les ponts radio La diffusion TV / radio
mars 17 Les systèmes Les ponts radio La diffusion TV / radio Transmissions satellites la BLR Le cellulaire le DECT WiFi Cours : ~4h (2h Bouygues Tel.) TD : 2 séances TP : 1 : mesures GSM 1 : mise en place de wLAN 2 : logiciel de déploiement GSM

30 mars 17 V : les métiers Réseau, Intégrateur : prise en compte de la spécificité radio (wireless LAN…) Téléphonie mobile : opérateurs (centres opérationnels), constructeurs. Développement et Recherche les antennes le traitement du signal la téléphonie mobile, les réseaux sans fil, ...

31 VI-références « Antennas and propagation for Wireless communication systems », Simon R. Saunders, ed Wiley « Wireless communications : principles & practice », Theodore S. Rappaport, ed Prentice Hall « micro-ondes », tome II, Combes, ed. Dunod « Electromagnetic waves and antennas »,