GSM, UMTS, WIFI, BLUETOOTH, OFDM, ADSL... (Version provisoire et incomplète ; infos récupérées sur différents sites) Merci de transmettre corrections et compléments à leroux@essi.fr

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 d’un 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;

cellules GSM Cellules de 100m (urbaine) à 30 km de rayon (campagne) 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

GSM Problème de répartition des fréquences lors de la modification des cellules du réseau Éviter les interférences avec les signaux des cellules voisines

Téléphone mobile cellulaire GSM Téléphone mobile cellulaire 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

Gestion de la communication radio GSM Gestion de la communication radio 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

Itinérance, Handover GSM Trajet du mobile B A Stations de base Localisation en permanence des mobiles; dans quelle cellule se trouvent-ils ? A B Trajet du mobile Stations de base 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

Bandes de fréquences GSM Bandes de fréquences utilisées en communication GSM, la largeur d'un canal de com- munication est de 200 kHz.

Modulation GMSK GSM Gaussian minimum shift keying Diminuer la largeur de bande en atténuant les variations brusques de phase

Modulation GMSK GSM Signal à émettre Évolution correspondante temps Signal à émettre fréquence temps Évolution correspondante de la phase Bande de fréquence

Correction d’erreurs 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

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

Entrelacement des données GSM Entrelacement des données 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

Opérations effectuées GSM

Compression de la parole GSM Compression de la parole (Long term prediction)

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

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), 1980-2010 and 2170-2200 MHz Satellite uplink et downlink. Débit max de l ’ordre de 1 à 2 Mbits/s

UMTS Ajustement de la puissance Modulation QPSK Antenne adaptative x1 (t) ak, tk xk (t) an, tn xn (t) Défauts du canal : Antenne adaptative par les stations de base : Trajets multiples éventuellement pris en compte (directivité) Ajustement de la puissance

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

UMTS Scrambling Scrambler double ( pour les données complexes )

UMTS Correction d ’erreurs Détection : CRC (Cyclic Redundancy Codes) Codes de Reed Muller Codeur Convolutionnel 256 états Turbocodes

UMTS CRC 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

Codeurs convolutionnels UMTS Codeurs convolutionnels Et pour les turbocodes

UMTS Turbocodes émetteur récepteur

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/timeslots.gif

Transmission de parole : 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 d’erreurs Ligne de qualité réduite : Moins de bits pour le codage de la parole ; Plus pour la correction d’erreurs

IEEE 802.11b (WIFI), Bluetooth, OFDM, ADSL, ... Éléments de description en transmission (couche physique) (sans l’analyse des caractéristiques réseaux/commutation) - Fréquence (bandes de fréquences, sauts de fréquences, ...) - Débit - Modulation, constellation - Détection correction d’erreurs - 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, …)

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

WIFI Etalement du spectre : (diversité) - Sauts de fréquence Différents utilisateurs - Sauts de fréquence suivant un motif préétabli temps « 1 » « 0 » - modulation par une séquence de Barker (spectre large) : devient

Ou differential PSK (direct sequence transmission) WIFI Modulation, constellation Gaussian Frequency Shift Keying f ‘‘1’’ +150kHz t -150kHz ‘‘0’’ Ou differential PSK (direct sequence transmission)

WIFI Scrambling z-7+z-4+1 (égalisation, synchronisation) data in data out Détection, correction d’erreurs : Eventuellement CRC x16+x12+x5+1, x8+x7+ x5+ x2+ x+1, 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

Organisation des paquets de données 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

Digital Audio Video Broadcasting ; 802.11a (5 GHz) Orthogonal Frequency Division Multiplexing Transformée de Fourier inverse 64 points Codage freq 1 Décodage = Transformée de Fourier Durée plus longue de l’émission d’1 bit mais multiplexage en fréquence Problèmes de synchronisation Moins de problèmes d’égalisation

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

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 d’un 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

Reed Solomon (204, 188) corrige jusqu ’à 8 erreurs 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

OFDM Schéma très simplifié FEC : Forwards Error Correction Correction d’erreurs Mapping Demapping IFFT FFT Modulation complexe démodulation complexe Horloge Horloge locale synchronisation Modulation porteuse Démodulation porteuse Émission Réception transmission

Télévision Numérique Terrestre Digital Video Broadcasting Bande UHF : de 470 à 860 MHz canaux de largeur 8 MHz OFDM/COFDM 6817 porteuses (8k) durée d’une donnée 896 ms + intervalle de garde modulation QPSK, 16 ou 64 QAM (COFDM = redondance)

codage pour réduire le débit 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 l’image

codes correcteurs d’erreurs TNT codes correcteurs d’erreurs Reed Solomon 204= 188+8x2 codes convolutionnels + poinçonnage 3/4 multiplexage temporel de plusieurs canaux scrambling (Comon Scrambling Algorithm)

Communication utilisant les courants porteurs (sur fils électriques) 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)

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/adsl%20tutor.pdf

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/papers=virata_dsl2/pdf

CAP (Carrierless Amplitude Phase) ADSL CAP (Carrierless Amplitude Phase) Voie descdte Voie montante 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.

DMT (Discrete MultiTone) 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

DMT (Discrete MultiTone) 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) = Sk=0,…N-1 x(k) exp 2pj kt/N À la réception on calcule x(k) = St=0,…N-1 y(t) exp -2pj kt/N 1 N

Modulation complexe QAM dans chaque canal, nombre d’états (4, 16, 64) ADSL Modulation Modulation complexe QAM dans chaque canal, nombre d’états (4, 16, 64) fonction du rapport signal à bruit Bruit fort Bruit moyen Bruit faible

ADSL Correction d ’erreurs CRC + Codes de Reed Solomon sur des paquets de taille 240,224 (correction de huit erreurs) + codes convolutionnels

ADSL Schéma général http://www.vocal.com/adslmodem.pdf

Evolution permanente par exemple en 2003 IEEE 802.11g à 54 Mbit/s 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)