Les principales normes des réseaux sans fils

 Les principales normes des réseaux sans fils

Les réseaux sans fils sont définis comme étant des système de communication permettant le transfert des informations à travers la propagation d’ondes dans l’espace libre évitant ainsi toute contrainte de câblage. La technologie sans fil vient répondre aux demandes croissantes en connectivité. En effet, si l’on prend l’exemple du réseau internet, il devient nécessaire de pouvoir se connecter dans de plus en plus d’endroits : à la maison, au travail, en transport, aux cafés et aéroports, etc. En plus, cette technologie présentent des coûts relativement faibles et une installation simple et rapide [1]. Cependant, comme elle utilise un espace commun, elle doit faire face à quelques contraintes de réglementations pour assurer la sécurité des personnes exposées aux rayonnements électromagnétiques d’une part et réguler le partage de la bande passante d’autre part. Ainsi, des normes ont été établies par des organismes d’états imposant des masques pour les puissances d’émissions et des tests d’innocuité des ondes sur les personnes [2–7].

Les systèmes de télécommunications mobiles

Les réseaux mobiles sont appelés communément réseaux cellulaires en référence à leur système de couverture radio organisée sous forme de plusieurs cellules de taille plus ou moins grande en fonctions des densités d’utilisateur. Chacune des cellules comptant un point d’émission appelé « station de base » et disposant d’un certain nombre de fréquences pour ces liaisons radios avec les terminaux mobiles qui lui sont associés. L’évolution des réseaux cellulaires a connue trois grandes étapes marquant les trois générations des terminaux mobiles.

1G : Première génération qui voit ses débuts vers la fin des années 70 et début des années 80. Fondée sur la technologie de multiplexage fréquentiel FDMA et utilisant des signaux analogiques, elle utilise des fréquences autour de 450 MHz ou de 900 MHz. A titre d’exemple, on peut citer la norme AMPS (Advanced Mobile Phone System) ou Radiocom 2000. L’avancée réalisée au niveau des terminaux les rendant moins encombrants – plus petits et moins lourds – a fait augmenté le nombre d’utilisateur saturant au passage certains réseaux ce qui a donné naissance à la deuxième génération.

2G : Deuxième génération arrivée sur le marché des télécoms au début des années 90, annonçant la fin de l’ère analogique et le début de l’ère numérique. Elle introduit également le multiplexage temporel TDMA en association au fréquentiel FDMA.

Le passage au numérique a renforcer de manière significative la robustesse des transmissions et a permis d’ajouter l’envoi de données en plus de la voix (service commercial appelé SMS (Short Message Service). Les débits aussi ont connu une évolution importante passant de 9,6 kbit/s dans les débuts des années 90 à 171,2 kbit/s au début des années 2000. Ce dernier débit théorique a été annoncé après la mise en service des premiers réseaux GPRS et la transmission en mode paquet ce qui correspond à la génération 2+ appelée aussi 2.5G. En plus de la fréquence 900 MHz, la deuxième génération émet et reçoit autour de 1800 MHz en Europe (DCS 1800) et autour de 1900 MHz aux Etats-Unis (PCS 1900).

3G : La troisième génération a été conçue comme une norme mondiale visant à sélectionner une interface unique. Appelée initialement FPLMTS pour Future Public Land Mobile Telecommunication System, elle a été renommé IMT-2000 pour International Mobile Telecommunication. Son implémentation européenne est appelée UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ou parfois 3GSM. Cette troisième génération est principalement orientée vers le Multiméda avec un accès haut débit à l’internet et l’échange des images et des vidéos en plus des messages textuels et de la voix. L’UMTS repose sur une technologie complètement différente du GSM, le WCDMA (Wideband-Code Division Multiple Access). Deux modes de fonctionnement ont été définis pour l’UMTS, le FDD (Frequency Division Duplex) et le TDD (Time Division Duplex). Le premier est habituellement envisagé pour la couverture des grandes cellules comme dans les zones rurales et suburbaines alors que le second se prête mieux à la couverture par des micro ou pico-cellules des zones urbaines, caractérisées par de fortes inhomogénéités de propagation. Le mode TDD utilise la bande entre 1885 MHz et 2025 MHz pour la voie montante et la bande allant de 2110 MHz à 2200 MHz pour la voie descendante. Quant au mode FDD, il utilise les bandes de 1920 MHz à 1980 MHz et de 2110 MHz à 2170 MHz pour les voies montante et descendante respectivement.

Entre la 3G et la 4G : l’évolutions de la 3G a donné naissance au HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) accélérant encore les débite de communications avant le passage à la 4G prévu en France en 2010 ou des systèmes multi-antenne MIMO (Multiple Input Multiple Output) devraient être utilisés par les stations de bases et potentiellement par les terminaux mobiles.

Ces réseaux cellulaires de téléphonie mobile ainsi que les réseaux satellitaires sont appelés plus généralement WWAN pour Wireless Wide Area Network. Ils répondent à la norme IEEE 802.16 [8,9].

Les autres réseaux sans fil 

Parmi les autres normes de la technologie sans fils, on peut citer les réseaux suivant, classés du plus grand au plus petit en termes de portée et de taille de cellules :

WMAN (Wireless Metropolitane Area Network). La norme la plus connue du réseau métropolitain sans fil est le WiMAX pour Worldwide Interoperability for Microwave Access. Le WiMAX regroupe des normes de réseaux sans fil précédemment indépendants : HiperMAN développé en Europe par l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ou encore le 802.16 développé par l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Il utilise plusieurs technologies de diffusion hertziennes destinées principalement à une architecture point à multipoint : un ou plusieurs émetteurs/récepteurs centralisés couvrent une zone où se situent de multiples terminaux. Le WiMAX propose des débits théoriques de l’ordre de 70 mégabits/seconde sur une zone de couverture portant sur quelques dizaines de kilomètres au maximum.

WLAN (Wireless Local Area Network). Destiné à couvrir l’équivalent d’un réseau local d’une entreprise, d’une maison, ou d’un espace public : café, aéroport, etc. Tous les terminaux présents dans la zone de couverture peuvent être reliés entre eux. Il existe deux principales normes pour ce type de réseaux : le WiFi à 2.4 GHz et à 5 GHz.

WiFi (Wireless Fidelity) fondé sur les normes IEEE 802.11. Il utilise la bande des 2.4 GHz, et présente des débits allant jusqu’à 11 Mbits/s en 802.11b et 54 Mbits/s en 802.11g sur une distance de plusieurs dizaines de mètres en intérieur et plusieurs centaines de mètres en extérieur. Quand au WiFi5, il répond à la norme IEEE 802.11a, opérant dans la bande des 5 GHz et offrant des débits théoriques de l’ordre de 50 Mbits/s pour une portée de 10 m environ. Dans cette même bande des 5 GHz opère aussi le réseau HiperLAN2 (High Performance Radio Local Area Network 2.0), norme européenne élaborée par l’ETSI utilisant l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) et permettant d’obtenir un débit théorique de l’ordre de 50 Mbits/s comme pour le WiFi5 mais pour une portée de plusieurs dizaines de mètres.

WPAN (Wireless Personal Area Network) les réseaux personnels sont représentés par les applications du type : Bluetooth, ZigBee. De faible portée, allant de quelques mètres à quelques dizaines de mètres seulement, ces applications sont destinées à relier un équipement principal à ses équipements périphériques se trouvant dans un même environnement : une unité centrale d’un ordinateur avec l’ensemble (écran, clavier, imprimante, etc.) ou un terminal PDA et une oreillette. Les deux technologies citées opèrent dans la bande des 2.4 GHz, le Bluetooth présentant un débit d’1 Mbit/s dans sa version 1.2 sortie en Novembre 2003, puis un débit jusqu’à 3 Mbits/s dans sa version 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) adoptée en Novembre 2004 avec des portées de quelques mètres [10], alors que ZigBee – norme IEEE 802.15.4 – permet d’obtenir des débits autour de 250 Kbits/s avec une portée maximale de plusieurs dizaines de mètres [11]. Ces réseaux personnels peuvent être très affectés par la présence des perturbateurs proches. Typiquement, l’exemple de la connexion Bluetooth entre l’oreillette et le téléphone subit l’influence de la personne. Cette catégorie est appelée réseaux WBAN pour Wireless Body Area Networks.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction
1.1 Les principales normes des réseaux sans fils
1.1.1 Les systèmes de télécommunications mobiles
1.1.2 Les autres réseaux sans fil
1.2 Antennes et perturbateurs
1.2.1 Types d’antennes
1.2.2 Méthodes de mesures d’antennes
1.2.3 Type de perturbateurs
1.3 Contexte et objectifs de la thèse
1.3.1 Projet URC, Radio Cognitive
1.3.2 Modélisation statistiques des antennes
1.3.3 Objectifs de la thèse
1.4 Conclusion
Chapitre 2 : Méthodologie et approche statistique
2.1 Méthodologie
2.1.1 Introduction
2.1.2 Démarche
2.2 Présentation des antennes et scénarios
2.2.1 Antennes
2.2.2 Scénarios
2.3 Effet des perturbateurs proches
2.3.1 Outils de simulations
2.3.2 Effet sur le coefficient de réflexion S11
2.3.3 Effet sur le rayonnement
2.4 Variables et approches statistiques
2.4.1 Le rapport de bande (Bandwidth Ratio) BR
2.4.2 Le décalage fréquentiel relatif (Relative Frequency Shift RFS)
2.4.3 Les variations relatives des rendements
2.5 Conclusion
Chapitre 3 : Interactions « Dipôles – Têtes »
Introduction
3.1 Etude paramétrique en simulation
3.1.1 Effets sur le coefficient de réflexion
3.1.2 Effets sur les rendements
3.1.3 Effets sur le diagramme de rayonnement
3.2 Etude statistique et corrélations
3.2.1 Les rendements
3.2.2 Rappels sur la loi GEV
3.2.3 Diagrammes de rayonnement
3.3 Conclusion
Chapitre 4 : Interactions « Antennes – Têtes »
4.1 Introduction
4.2 Etude comparative « Antennes, Dipôles »
4.2.1 Résultats des simulations « Antennes – Tête »
4.2.2 Comparaison des modèles statistiques des rendements
4.2.3 Diagrammes simulés
4.3 Campagnes de mesures (Téléphones portables)
4.3.1 Mesure du coefficient de réflexion
4.3.2 Etude statistique du rendement d’adaptation
4.3.3 Interprétation des résultats
4.3.4 Diagrammes mesurés
4.4 Conclusion
Chapitre 5 : ULB et communications haut débit
5.1 Introduction, état de l’art et applications visées
5.1.1 Rappels sur l’ULB
5.1.2 Communications haut débit
5.2 Antennes ULB
5.3 Scénarios et Campagne de mesure
5.3.1 Scénarios des mesures de coefficients de réflexion
5.3.2 Scénarios des mesures de rayonnement
5.4 Effets de l’intégration et Approche de la modélisation
5.4.1 Effets sur la bande et sur le rendement d’adaptation
5.4.2 Effets sur le diagramme
5.5 Conclusion
Conclusion générale 

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