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Fondements des radiocommunications mobiles

Démarré par sabrina, Novembre 03, 2023, 04:51:09 PM

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sabrina

FONDEMENTS DES
RADIOCOMMUNICATIONS
MOBILES
Généralités
Introduction générale
␁ Communiquer avec une personne en déplacement:
des moyens radioélectriques
␁ L'usager avec lequel on cherche à entrer en contact
transporte avec lui un équipement émetteur
2
récepteur de radio, muni de sa propre source
d'énergie.
Introduction générale
␁ Les progrès de la radiocommunications sont donc
dépendants des évolutions des composants
électroniques, informatiques, et surtout des sources
d'énergie.
3
␁ Le mobile peut se trouver n'importe où par rapport
au destinataire:
␁ contrainte de distance: limitée par les conditions de
propagation des ondes radio
Introduction générale
␁ on a conçu des réseaux complets de
radiocommunications permettant de relier le mobile
à des émetteurs récepteurs (les relais) situés
suffisamment proches pour qu'une liaison radio
entre l'un de ces relais et lui puisse être établie
4
␁ Plus ces relais sont nombreux et plus la distance de
propagation est courte, donc plus les équipements
de l'usager sont limités en puissance c'est-à-dire
légers et disposant d'une grande autonomie.

Historique
␁ 19ème siècle : intérêt pour les ondes
électromagnétiques
␁ 1890-1909 : Marconi le premier télégraphe sans fil
est établit par des transmission d'ondes longues.
1902 : première station mobile de
5
␁ télécommunication de taille importante :
␁ US Army, 1 générateur, 1 émetteur, 1 récepteur, 2
chariots
␁ 1920 : communications radiomobiles
professionnelles : taxis, pompiers, services maritimes
Historique
␁ Années 50 : PMR (Private Mobile Radio)
␁ maritime, militaire, taxi, ambulance
␁ Années 60 : systèmes satellitaires
␁ 3RP (Réseaux Radio à Ressources Partagées)
6
␁ Années 70 : réseaux cellulaires analogiques aux
Etats-Unis (AMPS)
␁ Années 80 : réseaux cellulaires analogiques en
Europe(C-NETZ en Allemagne, TACS au Royaume-
Uni)
Historique
␁ Années 90 : réseaux cellulaires numériques (GSM,
DECT, IS95, I-Mode...)
␁ Fin 90 : IEEE 802.11, Hiperlan, Bluetooth...
␁ Années 2000 : réseaux cellulaires numériques de
7
3ème génération (UMTS, IMT2000)
Les domaines des radiocommunications
mobiles

éseaux pour forces armées
␁ Technologies spécifiques pour des besoins
particuliers :
␁ confidentialité,
␁ mobilité de l'infrastructure
9
Communications Aviation / Marine
␁ Communications longues distances,
␁ utilisation liaison satellite,
␁ téléphone dans les avions (TFST)
10
Réseaux satellites (hors GMPCS)
␁ Classification suivant l'orbite (LEO, MEO, GEO)
11
␁ Téléphonie, Télex-Messagerie, Localisation (GPS), Diffusion
(vidéo, Internet)
␁ Interconnexions de réseaux numériques
Radio-messagerie unilatérale
␁ services d'alertes locaux, puis Bipers (Eurosignal)

Cordless & Wireless Telephone
␁ Marché très large
␁ téléphones sans fil,
␁ bornes domestiques et professionnelles, téléphonie
rurale, ...
13
Réseaux cellulaires analogique ou
numérique
␁ La radio de téléphonie cellulaire est de plus en plus
numérique on peut distinguer deux approches :
␁ Réseaux terrestres
␂ Exemples : GSM, UMTS
14
␁ Réseaux satellites GMPCS (Global Mobile Personal
Communication by Satellites) : Couverture mondiale
␂ Exemples : Iridium (66 sat.LEO), Globalstar (48 sat.LEO),
ICO (10 sat.MEO)


FONDEMENTS DES
RADIOCOMMUNICATIONS
MOBILES
Classification des réseaux sans fils
Introduction
␁ Les réseaux filaires peuvent être classifiés selon
plusieurs critères:
␁ Couverture géographique
␁ Débit
2
␁ Type de commutation
␁ Type de multiplexage ....
␁ De même pour les réseaux sans fils on peut
considérer ces critères.
␁ La classification la plus répondue est celle selon la
couverture géographique.
Classification selon la couverture
géographique
WWAN
WMAN
WLAN
3
WHAN
WPAN
Remarque Importante
␁ Il est à noter que cette zone peut varier selon
plusieurs paramètres tel que les conditions de
propagation, la puissance, types d'antennes etc...
␁ Un même système peut alors appartenir à deux
4
classes successives différentes.

WPAN/WHAN
␁ Couverture : Quelques mètres autour de l'usager
␁ Caractéristiques : Réseaux qui se déplacent avec
l'usager et absence de station relais
␁ Exemples : Bluetooth (1 Mbps), IrDA (4 Mbps)
5
WHAN/WLAN
␁ Couverture : Réseaux qui couvrent une localisation
fixe : jusqu'à quelques centaines de mètres
␁ Caractéristiques : généralement requiert une station
relais
6
␁ Exemples : IEEE 802.11, HyperLan, HomeRF, AirPort,
DECT, ...
WMAN/WWAN
␁ Couverture : Réseaux qui couvrent une zone
étendue pouvant aller jusqu'à tout le globe
terrestre
␁ Caractéristiques : requiert une station relais
7
␁ Exemples :
␁ Réseaux Cellulaires : GSM, PHS, WIMAX, IS95,
UMTS,...
␁ Réseaux satellitaires
Spectre électromagnétique
8
Positionnement fréquentiel des systèmes
de radiocommunications mobiles
␁ Mis à part les communications sans fils utilisant des
ondes électromagnétiques de la gamme lumineuse,
la plupart des applications radio mobiles utilisent la
bande UHF
9
␁ Exemples de poretuses:
␁ Bluetooth: 2.4GHz; WIFI: 2.4GHz et 5GHz;
HiperLAN: 5GHz; DECT: 1800MHz;
GSM: 900/1800/1900 MHz; UMTS: 2GHz...

FONDEMENTS DES
RADIOCOMMUNICATIONS
MOBILES
Propagation en environnement radio mobile
Introduction
␁ Dans tout système de radio communications mobile le
signal est véhiculé sous forme d'une onde
électromagnétique (O.E.M.).
␁ Lors de sa propagation cette onde subit l'effet de
2
certains phénomènes causant une dégradation de la
qualité du signal limitant ainsi la couverture
géographique du système.
␁ Il est important de rappeler q'une O.E.M. est
caractérisée par sa fréquence . Dans le vide ou
dans l'air libre on a la longueur d'onde
f
C
f
l =
Phénomènes électromagnétiques
␁ Atténuation
␁ Absorption
␁ Réfraction
3
␁ Réflexion
␁ Diffraction
Atténuation
␁ plus on va s'éloigner de la source plus la qualité du
signal diminuera, le phénomène en cause est la
dispersion spatiale
␁ Prenez une lampe torche par exemple, vous
4
remarquerez que plus le faisceau sera étroit plus
vous verrez loin, mais vous n'éclairerez qu'une faible
surface, et inversement si vous agrandissez votre
faisceau, vous ne verrez pas très loin mais vous
couvrirez une plus grande surface.


Absorption
␁ L'onde électromagnétique qui se propage rencontre
des électrons qu'elle va exciter.
␁ Ceux-ci vont réémettre à leur tour du rayonnement
ce qui perturbera le signal et donc l'atténuera.
5
␁ Il est important de noter que plus la fréquence est
élevée plus ce phénomène d'absorption est élevé
donc plus la distance de couverture est faible.
Réfraction/Réflexion
␁ Réfraction: Changement de direction lors d'un
passage d'un milieu à un autre.
␁ Réflexion: Changement de direction dans le même
milieu.
6
Diffraction
␁ Il s'agit d'interférences entre l'onde directe d'une
source et l'onde dont la direction est modifiée par
un obstacle tel que montage ou immeuble.
␁ Ces deux ondes, issues de la même source,
7
interfèrent entre elles de manière à ce que l'on se
retrouve soit avec une augmentation importante liée
au couplage en phase, soit à une diminution, voire
une annulation totale.
Modèles de propagation
␁ Représentation mathématique de l'influence du
milieu sur la propagation de l'onde
électromagnétique.
8
Modèle de propagation en espace
libre (Modèle de Friis)
␁ Le modèle de propagation en espace libre suppose
qu'il y a un seul chemin dégagé entre l'émetteur et
le récepteur.
9
E d R
Pe
Ge
Pr
Gr
Modèle de propagation en espace
libre (Modèle de Friis)
␁ L'équation de Friis pour la propagation en air libre en fonction
de la distance d entre l'émetteur et le récepteur (distance E-R):
10
( )
2
2 ( )
4
e e r
r
PG G
P d
d
l
p
=
Pr: puissances reçue
Pe: puissances émise
λ: longueur d'onde
G et G sont les gains des antennes
l
␁ Sur l'échelle logarithmique on a alors :
␁ D'où une perte de 20dB par décade.
er d'émission et de réception
[ ] [ ] [ ] [ ] 10 ( ) 20log
4 r dBW e dBW e dB r dB P d P G G
d
l
p
� � = + + + � �
� �
Modèle à deux raies
␁ Le modèle à deux raies considère deux chemins
possibles entre l'émetteur et le récepteur.
␁ Le premier est le chemin direct et le deuxième est le
résultat de la réflexion terrestre.
11
R
E
h
r
h
e
Modèle à deux raies
␁ La puissance reçue en fonction de la distance d
entre l'émetteur et le récepteur (distance E-R) est
donnée par:
12
2 2
4 ( ) e e r e r
r
PG G h h
P d
d
=
␁ Sur l'échelle logarithmique on a alors :
␁ D'où une perte de 40dB par décade.
␁ Il est montré que ce modèle donne une prédiction
plus précise que le modèle précédent pour des
longues distances.
[ ] [ ] [ ] [ ] 2 2
10 4 ( ) 10log e r
r dBW e dBW e dB r dB


Modèle lognormal
(Shadowing model)
␁ Les deux premiers modèles prédisent la puissance
reçue comme étant une fonction déterministe en
fonction de la distance.
␁ Ils définissent tout les deux la portée des
13
communications comme étant un cercle parfait
Modèle lognormal
(Shadowing model)
␁ En réalité, la puissance reçue est une variable aléatoire à
cause des effets des trajets multiples.
␁ Un modèle plus général et qui met en évidence ce concept est
le modèle lognormal (shadowing model) qui exprime la
puissance reçue en fonction de la distance d entre l'émetteur et
14
le récepteur (distance E-R) de la manière suivante :
X: variable aléatoire normale (lognormale sur l'échelle
linéaire) de moyenne nulle et d'écart type (exprimé en dB,
déterminé par des mesures sur terrain).
[ ( )] ( ) r dBW r dBW
P d = ��P d �� + X
X s
Modèle lognormal
(Shadowing model)
␁ étant la valeur moyenne de la puissance reçue
et qui peut etre déterminée à partir d'une
puissance reçue connue à une distance d0 ,
de la façon suivante :
15
( ) r P d
0 ( ) r P d
[ ] � d

où le paramètre b (appelé exposant de pertes) déterminé par
des mesures sur terrain.
␁ Avec ce modèle on parle plus de cercle idéal à
l'intérieur duquel on définit une communication
possible mais d'une probabilité de communication à
une distance donnée.
0 10
0
( ) ( ) 10 log r dBW r dBW
P d P d
d
b
�� �� = - � �
� �
Modèle d'OKUKURA-HATA
␁ C'est un modèle empirique qui s'est basé sur des mesures
prises à l'intérieur et aux alentours de la ville de Tokyo (Japon)
en 1968 entre 150 MHz et 1500 MHz.
␁ C'est le plus populaire des modèles permettant de prédire la
valeur moyenne de l'affaiblissement.
16
␁ Néanmoins la validité de ce modèle se limite aux conditions
suivantes :
␁ Fréquence utilisée (en MHz) entre 150 MHz et 1500 MHz.
␁ Hauteur de l'émetteur entre 30 et 200 m
␁ Hauteur du récepteur entre 1 et 10 m
c f
e h
m h

Modèle d'OKUKURA-HATA

17
69.55 26.16 A = + log fc -13.82 log he
( )
( )
( )
urban areas: dB log
suburban areas: dB log
open areas: dB log
L A B D E
L A B D C
L A B D F
» + -
» + -
» + -
( ( ))
( )
( ( ))
( ( ))
2
2
2
2
44.9 6.55 log
2 log 28 5.4
4.78 log 18.33log 40.94
3.2 log 11.75 4.97 for large cities, 300MHz
8.29 log 1.54 1.1 for large cities, 300MHz
1.1lo
c e
e
c
c c
m c
m c
B h
C f
F f f
E h f
E h f
E
= -
= +
= + +
= - ³
= - <
= ( g 0.7) (1.56 log 0.8) for medium to small cities c m c f - h - f -















FONDEMENTS DES
RADIOCOMMUNICATIONS
MOBILES
Techniques d'accès multiples
Introduction
␁ L'un des aspects de la gestion des ressources d'un
réseau est la définition de la façon (ou la
technique) avec laquelle les utilisateurs y accèdent.
␁ On peut distinguer deux types d'accès,
2
␁ le premier est statique, appliqué pour les réseaux
orientés voix. (FDMA, TDMA, CDMA, SDMA)
␁ Le deuxième est dynamique, appliqué pour des
réseaux orientés données. (Aloha, CSMA)
Introduction
␁ Deux signaux se trouvant
su la même bande de
fréquence en même
temps interfèrent.
3
␁ Le but est de créer une
séparation entre les
signaux.
Notion de Duplexage
␁ La plupart des systèmes de radiocommunications mobiles
permettent d'établir deux sens de communications:
␁ Sens montant (Uplink ou Forward link): du terminal vers le
réseau.
␁ Sens descendant(Downlink ou Reverse link): du réseau vers le
4
terminal.
␁ Une séparation entre ces deux liens s'impose On distingue
alors deux types de Duplexage:
␁ FDD: Frequency Division Duplexing: séparation fréquentielle.
␁ TDD: Time Division Duplexing: séparation temporelle.

Notion de Duplexage
␁ FDD ␁ TDD
5
t f
les voies montante et
descendante sont sur des
fréquences bien distinctes.
les voies montante et
descendante sont sur la même
fréquence, mais utilisent le
canal alternativement.
f t
Avantages du TDD
␁ Les deux avantages principaux du TDD sont :
␁ Une plus grande simplicité de la partie RF, puisqu'on ne
travaille que sur une fréquence à la fois (contre deux
pour le FDD, une sur la voie montante, une sur la voie
descendante.
6
␁ Le canal est réciproque (c'est à dire que la station de
base voit le même canal de transmission que le
terminal). De ce fait, l'adaptation de puissance est
simple.
Techniques d'accès multiple orientés
voix
␁ L'accès multiple par répartition de fréquence (FDMA:
Freaquency Division Multiple Access).
␁ Accès multiple par répartition temporelle (TDMA :
Time Division Multiple Access).
7
␁ Accès multiple par répartition de code (CDMA :
Code-Division Multiple Access).
␁ Accès multiple par répartition d'espace (SDMA:
Space Division Multiple Access)
FDMA
␁ Tous les utilisateurs peuvent transmettre leur signaux
simultanément, et sont distingués par leur fréquence
d'émission.
␁ Le FDMA est basé sur la plus ancienne technique
8
de multiplexage connue : le multiplexage en
fréquence, utilisé pour transmettre les signaux TV
sur le câble, ou sur les canaux Hertziens classiques

FDMA
9
Temps
Fréquence
Canal-1
Channel-6
Channel-5
Canal-2
Canal-3
Canal-6
Canal-4
Canal-5
TDMA
␁ les utilisateurs utilisent la même fréquence et
prennent possession du canal chacun à leur tour).
␁ Le TDMA est basé sur le multiplexage temporel
utilisé par exemple en téléphonie, pour la
10
concentration (numérique) des connexions entre
centraux téléphoniques.
TDMA
11
Fréquence
Trame
Temps
Canal-1
Channel-6
Channel-5
Canal-2
Canal-3
Canal-6
Canal-4
Canal-5
Canal-1
Channel-6
Channel-5
Canal-2
Canal-3
Canal-6
Canal-4
Canal-5
Canal-1
Channel-6
Channel-5
Canal-2
Canal-3
Canal-6
Canal-4
Canal-5
...
CDMA
␁ Le CDMA est basé sur la technique du spectre étalé
(Spread Spectrum), où chaque utilisateur se voit
allouer un code (signature) différent, et est identifié
par ce code.
12
␁ Tous les signaux vont se retrouver sur la même
bande de fréquence et en même temps.
␁ C'est ces signatures qui permettent de retrouver les
signaux originaux au niveau du récepteur.



et satellite.




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