Réseaux sans fil et filaires
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Historique
- 1838 : Théorie (S. Morse)
- 1858 : Câble transatlantique
- 1864 : Équations de Maxwell
- 1865 : Télégraphe (S. Morse)
- 1876 : Téléphone (Bell)
- 1898 : 1ère communication mobile (Marconi, puis Armée US)
- 1915 : 1èreliaison téléphonique transcontinentale (Bell System)
- 1930 : Télévision (principes)
- 1948 : Invention du transistor, théorie de Shannon
- 1950 : nombreuses communications mobiles professionnelles
- 1958 : 1er réseau cellulaire public (Allemagne)
- 1962 : 1er satellite TV (Telsar I)
- 1962 : 1er satellite géostationnaire (Intelsat I)
- 1964 : Transmission de données sur RTC
- 1969 : Internet
- 1970 : Bell / 1G
- 1970 : début des systèmes cellulaires analogiques
- 1980 : début des systèmes sans cordon
- 1983 : Études GSM (numérique)
- 1985 : Études DECT
- 1988 : Débuts GSM / Études CDMA
- 1990 : IEEE 802.11 Wireless LAN
- 1990 : Messagerie unilatérale (étape)
- 1991 : Déploiement GSM
- 1993 : DEC 1800, début IS-95 (CDMA)
Développement du sans-fil
v La déréglementation a joué un rôle important…
v Progrès en électronique :
- miniaturisation des équipements
- augmentation de l'autonomie (batteries)
- réduction du prix des équipements
v Moyen le plus rapide et le moins coûteux pour couvrir un territoire sans "re-câbler" vIntérêt de la mobilité ÿne pas confondre sans-fil et mobile
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Débit maximum d'un canal de transmission
- Si un signal quelconque est appliqué à l'entrée d'un filtre passe-bas ayant une bande passante W, le signal ainsi filtré peut être reconstitué avec un échantillonnage à 2W/s (Nyquist, Shannon)
Dmax = 2 W log2 V en bit/s
si le signal comporte V niveaux significatifs (Valence).
ÿ La bande passante limite la rapidité de modulation.
Exemple: Pour un canal sans bruit dont la bande passante est de 3000
Hz qui ne peut transmettre qu'un signal binaire, D max = 6000 bit/s.
Bruit, capacité
- Bruits aléatoires Þ dégradation de la transmission
- Quantité de bruit = rapport de la puissance du signal transmis à la puissance du bruit
= rapport signal sur bruit, (SNR en anglais signal to noise ratio ou S/N).
- Pour un canal de transmission de bande passante W perturbé par du bruit dont le rapport signal sur bruit est S/N, la capacité de transmission maximale C en bit/s vaut :
C = W log2 (1+PS/PN) en bit/s
S/N est exprimé en dB en général, mais pas dans la formule !
(S/N)dB = 10 log10 (PS/PN) Û PS/PN=10(S/N)dB/10
- Exemple: Pour un canal dont la bande passante est de 3000 Hz et un rapport S/N=30dB, (valeur typique du réseau téléphonique analogique), PS
/PN=1000 => C = 30 000 bit/s.
Perturbations
- Perturbations Þ l'information extraite du signal reçu peut conduire à des erreurs.
- Causes multiples, principale préoccupation dans les systèmes de télécommunication.
- Affaiblissement ou atténuation = perte d'énergie du signal pendant sa propagation
Atténuation (dB) = 10 log10 (P1/P2)
(-3 dB correspond à une perte de la moitié de la puissance)
- Affaiblissements différents suivant les harmoniques Þ distorsions
En pratique affaiblissements d’amplitude négligeable jusqu’à fc appelée fréquence de coupure.
Pour compenser cet affaiblissement et pour permettre des transmissions sur de longues distances Þ amplificateurs ou répéteurs
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Bruit
- Tout signal indésirable interprété par le récepteur et délivrant une information incohérente.
- Sources de bruit :
– émetteur du signal ;
– media de transmission ;
– perturbation atmosphérique.
- Bruit thermique = agitation thermique des électrons (source de bruit la plus courante)
- Diaphonie = influence mutuelle entre deux signaux utiles mais sur des conducteurs voisins.
Modulation / Démodulation
- Transmission d’un signal à spectre étroit sur un support à large bande passante Þ mauvaise utilisation du support
Þ techniques de modulation et de multiplexage
- Soit un signal périodique : y(t) = A sin (2pft + F)
- Signal transporté sous forme d'une onde faisant varier une des
caractéristiques physiques du support:
– différence de potentiel électrique;
– onde radioélectrique
– intensité lumineuse
Porteuse: p(t) = Ap cos (2pfpt + Fp)
- On fait ensuite subir des déformations ou modulations à cette porteuse pour distinguer les éléments du message.
Modulation
- La modulation est la transformation d'un message à transmettre en un signal adapté à la transmission sur un support physique.
- Les objectifs de la modulation sont:
– une transposition dans un domaine de fréquences adapté au support de transmission;
– une meilleure protection du signal contre le bruit;
– une transmission simultanée de messages dans les bandes de fréquences adjacentes, pour une meilleure utilisation du support.
- Trois types de modulation de base existent, en faisant varier les trois
paramètres de l'onde porteuse: Ap
, fp
, Fp
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Antenne
- Caractéristique pour tous les types d'antennes :
– Facteur de Mérite (G/T)
- Sensibilité d'un système de réception
- Mesure globale du système de réception déterminé par la taille de l'antenne (G) utilisée et par la qualité (T) (niveau de bruit) du récepteur.
– Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente (PIRE)
- puissance rayonnée dans une direction donnée ou dans la zone couverte.
Point d'accès
- Liaison réseau filaire - réseau sans fil
- Gère le trafic des mobiles d'une cellule en réception et en transmission de données
- Type de matériel : Station (dédiée de préférence) avec :
– carte réseau traditionnelle pour le réseau filaire
– carte émission / réception radio
– couche logicielle adéquate
Borne d'extension
- Mélange Point d'accès (gère une cellule) + pont radio
- Pas de connexion au réseau filaire (? point d'accès)
- Agrandit la zone de couverture sans ajout de câble
- Gère le trafic de sa cellule comme les points d'accès
- Possibilité d'en utiliser plusieurs pour atteindre les mobiles les + éloignés.
Pont radio
- Lien entre 2 réseaux câblés de 100 m jusqu'à quelques kms
- Se connecte à un réseau et non à une station
- Ne gère pas de cellule de communication
Organisation cellulaire
- Cellule de communication =
BSS : Basic Set Service de taille variable :
– liée à l'environnement
– liée à la puissance du mobile, car le point d'accès (fixe) dispose à priori d'une source d'énergie suffisante
- ESS : Extended Set Service :
plusieurs BSS <=> plusieurs AP (Access Point)
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Mécanisme de "Handover"
– assurer la continuité des communications tout en assurant une certaine qualité de service.
– optimiser l'utilisation des ressources
– équilibrer le trafic entre cellules
ÿ influe sur les aspects couches basses (physique et liaison)
ÿ influe sur les aspects réseau (commutation de liens)
Mécanisme de "Handover"
– la qualité du lien est mesuré périodiquement
– en cas de problème, la BS envoie une alarme vers le MSC
– le MSC cherche une nouvelle cellule ou un nouveau canal
– le MSC déclenche ensuite le handover si c'est possible (l'ancien canal est alors libéré), sinon la communication continue
Mécanisme de "Handover"
- le handover est tenté de plus en plus souvent :
– réduction de la taille des cellules dans les systèmes 2G (numériques) (de plus en plus pour le milieu urbain = forte densité de population)
– optimisation du trafic
– obtenir des mesures précises de qualité
– faire le bon choix pour le changement de cellule
– réaliser rapidement le handover
Mécanisme de "Handover" : 3 phases
- Mesures de qualité et de supervision du lien actif
(RSSI : Received Signal Level Indicator).
- le taux d’erreur binaire (BER : Bit Error Rate).
- ratio C/I (Carrier/Interference)
- distance entre le mobile et la station de base.
Ex: GSM entre 3 et 10 mesures toutes les 0,5s
Mécanisme de "Handover"
- Choix de la cellule cible
le mobile gère une liste de candidates (5 maxi en GSM) si il reçoit un signal suffisant pour le canal pilote
- puissance relative des signaux (P2 > P1)
- puissance relative des signaux avec seuil
(P1 < seuil et P2 > P1)
- puissance relative des signaux avec hystérésis
(P2 > P1 +seuil)
- puissance relative des signaux avec seuil et hystérésis
(P1 < seuil1et P2 > P1 +seuil2)
- Exécution du Handover
– un nouveau canal est attribué
– la connexion est transférée
– l'ancien canal est libéré
- Différents types de Handover :
– handover doux (soft-handover)
– handover dur (hard-handover)
– handover souple (smooth-handover)
– …
Mécanisme de "Handover"
- Handover souple (smooth-handover)
Pour les réseaux TCP/IP, le transport se fait par paquets indépendants : plus le nombre de paquets perdus est réduit, plus le handover est "souple"
Aux États-unis, les systèmes de 1ère génération cohabitent avec les systèmes numériques :
ÿsi les 2 systèmes et le terminal le permettent handover analogique pour assurer la continuité de la communication
Mécanisme de "Sélection / Re-sélection"
- Pour un mobile en veille, on parle de sélection de la station de base.
- Un mobile :
– écoute les message diffusés par les BS à tous les mobiles
– est prêt à se connecter au réseau en cas d'appel
– signale sa position régulièrement
- La mise sous tension d'un mobile implique une sélection de BS.
- Le déplacement induit une re-sélection régulière.
- La gestion de la localisation = roaming
- Recherche de mobile = paging dans la dernière cellule ou dans tout le réseau (inondation)
Accès au réseau
- Le nombre d'utilisateurs est très supérieur au nombre de canaux disponibles
- Protocoles de réservation = problématique particulière
– avec un contrôle centralisé ‡ non
– avec un contrôle distribué ‡ non
– à accès aléatoire (type CSMA)
– autre…
