GSM, UMTS,  WIFI, BLUETOOTH,  OFDM, ADSL... (Version provisoire et incomplète ;  infos récupérées sur différents sites) Me...
Global System Mobiles (fin années 1980) Radiotéléphone cellulaire numérique ; échange de données entre  stations de base  ...
cellules GSM Une antenne couvre un secteur géographique dont la surface dépend de la densité d ’utilisateurs Cellules de 1...
Problème de répartition des fréquences lors de la modification des cellules du réseau Éviter les interférences avec les si...
Téléphone  mobile   cellulaire Gérér les  passage  d ’un mobile d ’une cellule à la voisine - Essentiellement scrutation d...
Gestion de la communication radio Pas d ’algorithmique compliquée mais une mise en œuvre  complexe exemple de problèmes à ...
Itinérance, Handover Localisation en permanence des mobiles;  dans quelle cellule se trouvent-ils ? Le mobile en veille es...
Bandes de fréquences Bandes de fréquences utilisées en communication GSM, la largeur d'un canal de com- munication est de ...
Modulation GMSK Diminuer la largeur de bande en atténuant les variations brusques de phase GSM Gaussian minimum shift keying
Modulation GMSK Signal à émettre Évolution correspondante  de la phase temps temps fréquence Bande de fréquence GSM
Correction d’erreurs Exemple de  codeur convolutionnel  utilisé dans le GSM; deux des sorties (du haut) sont utilisées pou...
Paquets de données Composition d'une trame en huit slots Composition d'un slot. Entre deux slots, il y a des intervalles o...
Entrelacement des données Entrelacement des données à transmettre sur différentes trames: les données sont transmises dans...
Opérations effectuées GSM
Compression de la parole GSM (Long term prediction)
UMTS (3G) Les  débits  des données transmises par un utilisateur sont variables :  de 144 kbit/s à 384 kbit/s et même 2 Mb...
1920-1980 et  2110-2170 MHz  Frequency Division Duplex (FDD, W-CDMA)  largeur des canaux 5 MHz sous bandes 200 kHz.  un op...
Défauts du canal :  Antenne adaptative  par les stations de base : Trajets multiples éventuellement pris en compte (direct...
Code Division Multiple Access Pour réduire les problèmes de ré-allocation de fréquences  Remplacer le type de modulation F...
Scrambling UMTS Scrambler double ( pour les données complexes )
Correction d ’erreurs Détection : CRC (Cyclic Redundancy Codes) Codeur Convolutionnel 256 états Turbocodes UMTS Codes de R...
CRC Polynôme à coefs binaires de degré Message binaire à transmettre Emission Réception Test Erreur UMTS d(z) = z 24  + z ...
Codeurs convolutionnels Et pour les turbocodes UMTS
Turbocodes émetteur récepteur UMTS
http://www.umtsworld.com/technology/images/timeslots.gif UMTS 1 trame radio de de durée 10 ms = 15 slots de durée 0.67 ms ...
Transmission de parole  :  Ligne de bonne qualité :  Plus de bits pour le codage de la parole ;  Moins pour la correction ...
Éléments de description en transmission (couche physique) (sans l’analyse des caractéristiques réseaux/commutation) IEEE 8...
Bluetooth (WAP), IEEE 802.11b Fréquence   2.4 GHz Faible puissance (qques mwatts), petites distances Débit  1 à 2 Mbit/s e...
Etalement  du spectre : « 1 » « 0 » devient - modulation par une  séquence de Barker (spectre large)  : temps fréquence Di...
Modulation, constellation  Gaussian Frequency Shift Keying t f ‘‘ 0’’ ‘‘ 1’’ +150kHz -150kHz Ou differential PSK (direct s...
Codeur convolutionnel 802.11b Eventuellement CRC x 16 +x 12 +x 5 +1, x 8 +x 7 + x 5 + x 2 + x+1, répétition Hamming (15,10...
Etablissement des liaisons :  maître/esclaves dans un ‘ piconet’ pour simplifier les pb de synchronisation Audio : 64 kbit...
Digital Audio Video Broadcasting ; 802.11a (5 GHz) Orthogonal Frequency Division Multiplexing Codage Décodage = Transformé...
Pas d ’interférence entre signaux  correspondant à des sousporteuses  fréquence Nyquist : à la fréquence d ’un canal assoc...
Constellations  possibles  BPSK (2), QPSK (4), 16QAM, 64QAM Dans chaque canal 42 sous-porteuses espacées de 312.5 kHz + 4 ...
Codeur convolutionnel 802.11a CRC polynôme  x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 ...
FEC : Forwards Error Correction Mapping  IFFT Modulation complexe Modulation porteuse Émission  Correction d’erreurs Demap...
Télévision Numérique Terrestre OFDM /COFDM (COFDM = redondance) 6817 porteuses (8k) durée d’une donnée 896   s + interval...
codage pour réduire le débit  (compression) audio  codage du même type que  mp3 video   mpeg2  (transformée en cosinus et ...
multiplexage temporel de plusieurs canaux scrambling (Comon Scrambling Algorithm) codes correcteurs d’erreurs  Reed Solomo...
Communication utilisant  les courants porteurs (sur fils électriques) Modulation : OFDM BPSK (76bits/symbole OFDM) QPSK(15...
Asynchronous Digital Suscriber Line Découpe de la bande de fréquence en différents canaux Allocation des données en foncti...
http  :  //www/protocols/com/papers=virata_ d sl 2 /pdf une partie de la bande passante  pour la  transmission de   parole...
CAP (Carrierless Amplitude Phase) Utilisation de la bande de fréquence dans la variante CAP;  la bande basse de  4KHz  est...
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 lar...
DMT (Discrete MultiTone) ADSL 255 canaux : calcul des signaux émis par transformée de Fourier rapide sur 256 points ; duré...
ADSL Modulation complexe QAM dans chaque canal, nombre d’états (4, 16, 64) fonction du rapport signal à bruit Modulation B...
ADSL 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
CONCLUSION DE NOMBREUSES ALTERNATIVES MAIS DES PRINCIPES TECHNIQUES ASSEZ SEMBLABLES (utilisation de la bande de fréquence...
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GSM, UMTS, WIFI, BLUETOOTH, OFDM, ADSL...

  1. 1. 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
  2. 2. Global System Mobiles (fin années 1980) Radiotéléphone cellulaire numérique ; échange de données entre stations de base et mobiles Multiplexage en fréquence et en temps Débit de transmission de parole : 13 kbits/s ou 5.6 Kbits/s Bande de fréquences de largeur 200 kHz pour transmettre 271 kbits/s (multiplexage de 8 communications par canal fréquentiel) Transmission dans les bandes 890-915 MHz et 915-940 MHz Itinérance (roaming): suivre les mobiles; Handover : commutation de la communication d’un mobile d’ une cellule à une autre X. Lagrange, P. Godlewski et S. Tabbane, Réseaux GSM-DCS, Hermès,1995;
  3. 3. cellules GSM Une antenne couvre un secteur géographique dont la surface dépend de la densité d ’utilisateurs Cellules de 100m (urbaine) à 30 km de rayon (campagne) Antennes directives souvent trois par trois
  4. 4. Problème de répartition des fréquences lors de la modification des cellules du réseau Éviter les interférences avec les signaux des cellules voisines GSM
  5. 5. 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 GSM
  6. 6. 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 GSM problèmes de cryptage et d ’authentification
  7. 7. Itinérance, Handover Localisation en permanence des mobiles; dans quelle cellule se trouvent-ils ? Le mobile en veille est actif: il écoute les requêtes et y répond (synchronisation par les stations de base) implique un échange important de signalisation La station de base de la cellule ou rentre le mobile doit choisir une fréquence libre avec une qualité de communication suffisante GSM A B Trajet du mobile Stations de base
  8. 8. Bandes de fréquences Bandes de fréquences utilisées en communication GSM, la largeur d'un canal de com- munication est de 200 kHz. GSM
  9. 9. Modulation GMSK Diminuer la largeur de bande en atténuant les variations brusques de phase GSM Gaussian minimum shift keying
  10. 10. Modulation GMSK Signal à émettre Évolution correspondante de la phase temps temps fréquence Bande de fréquence GSM
  11. 11. Correction d’erreurs 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 GSM
  12. 12. Paquets de données Composition d'une trame en huit slots 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. GSM
  13. 13. 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 GSM
  14. 14. Opérations effectuées GSM
  15. 15. Compression de la parole GSM (Long term prediction)
  16. 16. UMTS (3G) 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 . 26  s 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. Universal Mobile Telephone Service http://www.umtsworld.com/technology/moc.htm P. Lescuyer, UMTS, les origines, l ’architecture, la norme, Dunod, 2002
  17. 17. 1920-1980 et 2110-2170 MHz Frequency Division Duplex (FDD, W-CDMA) largeur des canaux 5 MHz sous bandes 200 kHz. un operateur : 3 - 4 canaux (2x15 MHz or 2x20 MHz) . 1900-1920 et 2010-2025 MHz Time Division Duplex (TDD, TD/CDMA), largeur des canaux 5 MHz sous bandes 200 kHz. 1980-2010 and 2170-2200 MHz Satellite uplink et downlink. Débit max de l ’ordre de 1 à 2 Mbits/s Bandes de fréquences UMTS 1885-2250 MHz
  18. 18. Défauts du canal : Antenne adaptative par les stations de base : Trajets multiples éventuellement pris en compte (directivité) QPSK Ajustement de la puissance UMTS Modulation Antenne adaptative a 1 ,  1 x 1 (t) a k ,  k x k (t) a n ,  n x n (t)
  19. 19. 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) Problèmes de synchronisation et de contrôle automatique des niveaux 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 codage décodage de 100 kbit/s à 500 kbit/s par usager CDMA UMTS
  20. 20. Scrambling UMTS Scrambler double ( pour les données complexes )
  21. 21. Correction d ’erreurs Détection : CRC (Cyclic Redundancy Codes) Codeur Convolutionnel 256 états Turbocodes UMTS Codes de Reed Muller
  22. 22. CRC Polynôme à coefs binaires de degré Message binaire à transmettre Emission Réception Test Erreur UMTS d(z) = z 24 + z 23 + z 6 + z 5 + z + 1 ou z 16 + z 12 + z 5 + 1 ou z 12 + z 11 + z 3 + z 2 + z + 1 ou z 8 + z 7 + z 4 + z 3 + z + 1
  23. 23. Codeurs convolutionnels Et pour les turbocodes UMTS
  24. 24. Turbocodes émetteur récepteur UMTS
  25. 25. http://www.umtsworld.com/technology/images/timeslots.gif UMTS 1 trame radio de de durée 10 ms = 15 slots de durée 0.67 ms 1 slot = 2560 chips de durée 0.262  s Soit un débit de 3.84 Mchips/s (1 chip = une donnée QPSK = 2 bits)
  26. 26. Transmission de parole : 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 Prédiction linéaire de 12 à 5 kbits/s UMTS
  27. 27. Éléments de description en transmission (couche physique) (sans l’analyse des caractéristiques réseaux/commutation) IEEE 802.11b (WIFI), Bluetooth, OFDM, ADSL, ... - Sécurité cryptage authentification - Codage/ compression (parole, audio, images, …) - 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
  28. 28. Bluetooth (WAP), IEEE 802.11b Fréquence 2.4 GHz Faible puissance (qques mwatts), petites distances Débit 1 à 2 Mbit/s extensible 5.5 à 11 Mbit/s 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)
  29. 29. Etalement du spectre : « 1 » « 0 » devient - modulation par une séquence de Barker (spectre large) : temps fréquence Différents utilisateurs - Sauts de fréquence suivant un motif préétabli WIFI (diversité)
  30. 30. Modulation, constellation Gaussian Frequency Shift Keying t f ‘‘ 0’’ ‘‘ 1’’ +150kHz -150kHz Ou differential PSK (direct sequence transmission) WIFI
  31. 31. Codeur convolutionnel 802.11b Eventuellement CRC x 16 +x 12 +x 5 +1, x 8 +x 7 + x 5 + x 2 + x+1, répétition Hamming (15,10) (égalisation, synchronisation) z -7 +z -4 +1 data in data out WIFI Scrambling Détection, correction d’erreurs : 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 data in data out
  32. 32. Etablissement des liaisons : maître/esclaves dans un ‘ piconet’ pour simplifier les pb de synchronisation Audio : 64 kbits/s (A law /  law) ou delta modulation (32 kbits/s) Sécurité : authentification / chiffrage IMPORTANTE DANS BLUETOOTH (clés secrètes) moins élaboré à ce niveau dans IEEE 802.11b Slot 625  s min mais multiples possibles Paquets : accès 72 bits; entête 54 bits; données de 0 à 2745 bits Organisation des paquets de données WIFI
  33. 33. Digital Audio Video Broadcasting ; 802.11a (5 GHz) Orthogonal Frequency Division Multiplexing Codage Décodage = Transformée de Fourier Problèmes de synchronisation Moins de problèmes d’égalisation Durée plus longue de l’émission d’1 bit mais multiplexage en fréquence Transformée de Fourier inverse 64 points freq 1 0
  34. 34. Pas d ’interférence entre signaux correspondant à des sousporteuses fréquence Nyquist : à la fréquence d ’un canal associée à une donnée, les autres composantes sont nulles OFDM Composantes fréquentielles orthogonales
  35. 35. Constellations possibles BPSK (2), QPSK (4), 16QAM, 64QAM Dans chaque canal 42 sous-porteuses espacées de 312.5 kHz + 4 fréquences pilotes Durée d’un symbole OFDM : 4  s Largeur de bande 16.66 MHz par exemple 8 canaux de 5150 à 5350 MHz Débit de 24 Mbit/s (de 6 à 54 Mbit/s) soit 5 à 6 programmes pour un canal analogique actuel OFDM
  36. 36. Codeur convolutionnel 802.11a CRC polynôme x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x+ 1 Correction d ’erreurs Reed Solomon (204, 188) corrige jusqu ’à 8 erreurs data in data out Scrambler OFDM
  37. 37. FEC : Forwards Error Correction Mapping IFFT Modulation complexe Modulation porteuse Émission Correction d’erreurs Demapping FFT démodulation complexe Démodulation porteuse Réception Horloge locale synchronisation Horloge transmission Schéma très simplifié OFDM
  38. 38. Télévision Numérique Terrestre OFDM /COFDM (COFDM = redondance) 6817 porteuses (8k) durée d’une donnée 896  s + intervalle de garde modulation QPSK, 16 ou 64 QAM Bande UHF : de 470 à 860 MHz canaux de largeur 8 MHz Digital Video Broadcasting
  39. 39. 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 ?) TNT mpeg4 : structurer et modifier l’image
  40. 40. multiplexage temporel de plusieurs canaux scrambling (Comon Scrambling Algorithm) codes correcteurs d’erreurs Reed Solomon 204= 188+8x2 codes convolutionnels + poinçonnage 3/4 TNT
  41. 41. Communication utilisant les courants porteurs (sur fils électriques) Modulation : OFDM BPSK (76bits/symbole OFDM) QPSK(152 bits/symbole OFDM) Bande de fréquence 2.4 GHz Débit de l ’ordre de 1 à 10 Mb/s Spécificité : niveau de bruit très important et très fluctuant OFDM
  42. 42. Asynchronous Digital Suscriber Line 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 ADSL Et permet un débit de 512 kb/s et 1024 kb/s La bande passante de la ligne d ’abonné peut atteindre 1 MHz http://www.iweil.com/communication/adsl%20tutor.pdf
  43. 43. http : //www/protocols/com/papers=virata_ d sl 2 /pdf 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) ; ADSL
  44. 44. CAP (Carrierless Amplitude Phase) 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. Voie montante Voie descdte Voix ADSL
  45. 45. 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 Fréquence DMT (Discrete MultiTone) voix ADSL
  46. 46. DMT (Discrete MultiTone) ADSL 255 canaux : calcul des signaux émis par transformée de Fourier rapide sur 256 points ; durée d ’un symbole DMT : 250  s Pour chaque canal on a les données discrètes complexes à transmettre (modulation QAM) soit x ( k ) On émet À la réception on calcule y ( t ) =  k =0,… N -1 x ( k ) exp 2  j kt / N x ( k ) =  t =0,… N -1 y ( t ) exp -2  j kt / N 1 N
  47. 47. ADSL Modulation complexe QAM dans chaque canal, nombre d’états (4, 16, 64) fonction du rapport signal à bruit Modulation Bruit fort Bruit moyen Bruit faible
  48. 48. ADSL CRC + Codes de Reed Solomon sur des paquets de taille 240,224 (correction de huit erreurs) + codes convolutionnels Correction d ’erreurs
  49. 49. ADSL Schéma général http://www.vocal.com/adslmodem.pdf
  50. 50. CONCLUSION DE NOMBREUSES ALTERNATIVES MAIS DES PRINCIPES TECHNIQUES ASSEZ SEMBLABLES (utilisation de la bande de fréquence, modulation, correction d ’erreurs) Evolution permanente par exemple en 2003 IEEE 802.11g à 54 Mbit/s

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