Multiplexage par code ou Direct Sequencing (DS-CDMA)

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Orbites et fréquences des satellites 

L’orbite définit la trajectoire décrite par le mouvement du satellite au tour de la terre. La découverte des deux ceintures de VAN ALLEN a permis d’éviter de placer des satellites dans ces zones qui sont chargées en protons très nergétiques dues aux rayons cosmiques. La première zone se situe entre 1500km à 5000 km tandis que la seconde de 13.000 à 20.000km.
La distance Terre-Satellite est un paramètre important, puisque plus la distance est grande plus la puissance nécessaire pour transmettre les signaux est importante. Lorsque l’orbite passe par les pôles, il s’agit d’une « orbite polaire », par contre quand celle-ci est inclinée assez fortement par rapport au plan équatorial, c’est le cas d’une « orbite inclinée ». Ces deux types repartissent les différents cas de constellations de satellites.
Les principaux types d’orbites utilisables sont essentiellement des orbites circulaires que l’on classe suivant leur altitude : les orbites basses ou LEO, les orbites moyennes ou MEO, les orbites géostationnaires ou GEO et en finles orbites hautes ou HEO.

Répartition des orbites satellitaires 

Les satellites en orbites basses 

Ce type d’orbite basse ou LEO (Low Earth Orbit) est réservé aux satellites artificiels qui gravitent autour de la Terre à une altitude comprise entre 200 et 2000 km. La période de révolution du satellite est d’environ 10 à 120 minutes, ce qui fait qu’un point sur la Terre perd le contact avec le satellite au bout de 15 minutes. La zone de couverture est un cercle dont le rayon est de quelques centaines de kilomètres. Malgré sa durée de visibilité réduite, il est nécessaire de déployer un grand nombre de satellites autour de la Terre. Lorsqu’un satellite s’éloigne de la zone qu’il couvrait auparavant, il doit passer le relais (hand over ou basculement) à un autre satellite se trouva nt sur une orbite identique ou adjacente, de façon à ce que la continuité des communications soi t assurer.

Les satellites en orbites moyennes

Les orbites moyennes ou MEO (Medium Earth Orbit), presque circulaires, sont situées à une distance de la Terre comprise entre 5.000 et 20.000 km et sont inclinées de 50° par rapport à l’équateur. La période de révolutionde ces satellites est d’environ 6h, avec une constellation de10 à 15 satellites, on assure une c ouverture globale de la Terre qu’au centre de la zone, par suite de l’augmentation de la température d’antenne et de l’affaiblissement.

Les satellites géostationnaires

Il s’agit de satellites se déplaçant sur une orbite se situant dans le plan de l’équateur. Le rayon de cette orbite est d’environ 42160 km, en tenant compte du rayon moyen de la terre qui est de 6380 km, le satellite se trouve à enviro n 35790 km au dessus de la surface terrestre, ce qui donne un délai de propagation du signal d’environ 250ms. Notons qu’une faible inclinaison du satellite à pour effet de lui donner un mouvement apparent en forme de « huit ». Il met le même temps que la terre pour effectuer une révolution, ce qui lui donne une vitesse de 11070 km/h. Le satellite géostationnairetourne synchrone dans le même sens que la terre.

Les satellites en orbite elliptique haute 

Les orbites elliptiques hautes ou HEO (Highly Elliptical Orbit) ont un périgée à une altitude d’environ 500km et une apogée à une altitude d’environ 50.000 km. Ces orbites ont une inclinaison de 63°4 afin de pouvoir communique r avec des zones de l’hémisphère nord. La période orbitale varie de 8h à 24h et, du fait de son excentricité, le satellite passe la 2/3 de son temps dans une zone proche de son apogée. Durant cette période le satellite est presque immobile pour un observateur terrestre et peut donc être utilisé pour les communications. Ce type d’orbite est utilisé par les satellites du système de localisation par satellite GPS.

Bandes de fréquences utilisées 

Pour éviter un chaos total dans le ciel, une réglementation internationale a été mise en place par l’Union Internationale des Télécommunications (U.I.T) concernant la répartition des fréquences. La nécessité de disposer de grandes largeurs de bande oblige à choisir des fréquences élevées. Au niveau mondial, l’ UIT, attribue des bandes de fréquence à des services et divise le monde en trois régions :
· Région 1 : Europe, Afrique, Moyen Orient, pays de l’ex URSS ;
· Région 2 : les Amériques ;
· Région 3 : Asie, ex-URSS, Océanie ;
Il existe ainsi plusieurs bandes de fréquence utilisée par des différents satellites selon le type de services :
· La Bande C (4 ~ 8 GHz) est la première bande qui a été utilisée par les tellitessa commerciaux pour les services SFS (Service Fixe par Satellite), elle est aujourd’hui fortement encombrée. Cette bande est surtout utilisée par les opérateurs pour leurs liaisons intercontinentales (GEO).
· La Bande Ku (12.5 ~ 18 GHz), plus récemment utilisée, donc pas encore encombrée, est surtout utilisée pour les SFS et exclusivement pour les SRS (Service de Radiodiffusion par Satellite) dans les bandes 12/11GHz. Cette bande est peu sensible aux parasites urbains.
· La Bande Ka (26.5 ~ 40 GHz) permet l’utilisation d’antennes encore plus petites . Cette bande est surtout utilisée par les terminauxmobiles de type GSM.
· La Bande X (8 ~ 12.5GHz) est réservée aux applications militaires.
· La Bande L (1 ~ 2 GHz) est surtout utilisée dans le système de localisation par satellite ou GPS et aussi les services mobiles par satellite. Les satellites du système GPS comme celle du NAVSTAR emmettent leur signaux sur cette bande , généralement sur 1575,42 MHz ou 1227,60 MHz.
· La Bande S (2 ~ 4 GHz) utilisée aussi dans les services mobiles par satellite(avions, voitures, navigation etc) .
Ces différentes bandes de fréquences différencientchaque station terrienne communiquant avec les satellites.

Méthodes d’accès multiples aux canaux satellites

Définition de l’Accès Multiple

Dans un système de transmission par satellite. Ce dernier contient une ou plusieurs chaînes de répéteurs. L’utilisation d’une même chaîne de répéteurs par plus d’une station terrienne d’émission est appelée ‘Accès Multiple’. L’arrangement d’accès se rapporte au partage d’un canal commun parmi les utilisateurs multiples de multiservices possibles. Il y a trois principales formes d’arrangements multiples:
· Accès Multiple par Répartition en Fréquence (A.M.RF).
· Accès multiple de division de temps (TDMA).
· Accès Multiple par Répartition de Code (A.M.R.C)

Accès Multiple par Répartition en Fréquence (A.M.RF)

L’A.M.R.F ou F.D.M.A (Frequency Division Multiple Access en Anglais) est une technique traditionnelle dans laquelle la bande de fréquence est découpée en n sous bandes, où plusieurs stations terrestres transmettent simultanément, mais sur différentes fréquences dans un transpondeur. Chaque station terrienne a sa propre fréquence et la largeur de bande passante du répéteur est répartie entre les différents utilisateurs. Chaque station n’occupe qu’une partie de la bande.

Accès Multiple par Répartition dans le Temps (A.M.R.T)

L’A.M.R.T ou T.D.M.A (Time Division Multiple Access) est une technique d’accès multiple dans laquelle le temps est découpé en plusieurs tranches que l’on affecte à chaque station terrestre. Les diverses émissions des stations terriennes peuvent être reçues par le satellite dans des intervalles de temps séparés, ainsi toutes les stations terriennes émettent sur le canal sur la même fréquence.
L’avantage principal de l’A.M.R.T est l’absence d ’intermodulation. Il permet l’utilisation de l’amplificateur du satellite au vo isinage de sa saturation, c’est-à-dire avec un bon rendement en énergie. De plus, il n’y a pas de chevauchement car la transmission se fait par paquet.

L’Accès Multiple par Répartition de Code ou CDMA 

L’accès multiple par répartition de code ou CDMA (Code division Multiple Access) est la base de la transmission des signaux dans le système de localisation par satellite GPS. C’est une technique d’accès utilisant la technique de spectre de diffusion où les stations émettent sur le canal satellite à la même fréquencet indépendamment les unes des autres. Chaque station terrestre emploie un code de propagation unique pour accéder à la largeur de bande partagée. Les signaux émis vers le satellite sont chacun affectés d’un code caractéristique, à la réception, parmi tous les signaux qu’elle reçoit, chaque station reconnaît le signal qui lui est destiné par son code et en extrait l’information de base. Les systèmes de localisation par satellites ou GPS (Global Positioning system) et Global Navigation Satellite System (GNSS) utilisent cette méthode de multiplexage. C’est une technologie d’étalement de spectre qui est utilisée depuis longtemps par les militaires dû à sa résistance à l’interférence et son niveau de sécurité.

Principe d’étalement de spectre 

Le CDMA consiste à redistribuer et étaler le signal sur une très grande largeur de bande (Fig.1.5), jusqu’à le rendre « invisible » idéalement, pour les autres utilisateurs de la même largeur de bande. Au récepteur, l’opération étalementd’ exécutée au transmetteur est répétée pour désétaler le signal en bande de baseou (une fréquence intermédiaire) tandis que les autres signaux transmis (interférence) sont perçus par le récepteur comme étant du bruit. En effet la capacité maximum C d’un canal est définie par la formule de Shannon : Capacité maximum en b/s= B log (1+S/N)
Où B est la largeur de bande, S/N est le rapport signal sur bruit. Si on veut augmenter C on peut généralement penser à une augmentation de B c’est-à-dire l’étalement de spectre du signal émis.
Les séquences de codes utilisées dans les systèmesCDMA sont composées d’une série d’impulsions nommées « chips » afin d’être stinguéesdi des « bits » qui composent une séquence de données. Il existe deux façons d’étalement spectral :
· Le FH SS ou Frequency Hopping Spread Spectrum
· Le DS SS ou Direct Sequence Spread Spectrum.
Dans le système de localisation par satellite GPS, l’étalement de spectre est effectué par le technique de multiplexage DS SS. Dans notre cas nous nous intéressons beaucoup plus sur le DS SS pour illustrer plus tard le système de localisation par satellite (GPS).

Étalement par saut de fréquence ou Frequency Hopping (FH-CDMA)

Dans le protocole CDMA par saut de fréquence, la fréquence porteuse du signal d’information modulée n’est pas constante et change périodiquement. Pendant des intervalles de temps T, la porteuse reste la même, mais après haquec intervalle de temps, la porteuse saute vers une autre à l’aide d’un code pseudo aléatoire (Fig1.6).

Le segment utilisateur 

Cette partie regroupe tous les utilisateurs en possession de récepteur GPS, ainsi que les services liés aux réseaux GPS commeles services de localisation de téléphone mobile,ou le service de surveillance. Selon le type de besoins en positionnement et les services offerts, le prix des récepteurs est varié. Plusieurs types de écepteurs GPS existent dans diverses gammes d’application, de prix, de précision et de difficulté de mise en oeuvre. Malgré la diversité des récepteurs, on peut les classer en deux catégories :
· le récepteur monofréquence pour le service SPS(Standard Positionning Service)
· le récepteur bifréquence pour le service PPS(Precise Positionning Service)

Le service SPS 

Tous les utilisateurs disposant d’un récepteur GPSy ont accès. Ce mode est gratuit et anonyme, les propriétaires du système n’ont actuellement aucune possibilité de connaître le nombre d’utilisateurs ou de les identifier. Par contre les utilisateurs sont soumis aux dégradations volontaires du signal. Deux types de dégradations existent :
· La SA (Selective Availability) accès sélectif qui onsistec à dégrader les performances nominales du système. La SA n’est plus active depuis le 2Mai 2000.
· L’AS (Antispoofing) antileurrage qui consiste à ren dre indécodable une partie de l’information transmise afin qu’elles ne puissent être reproduites.
Ce type de service utilise uniquement une porteuse de 1575.42 MHz, et une mesure sur le code, ce qui donne une précision de quelques mètresà une centaine de mètre.

Le service PPS 

Il est réservé aux militaires des Etats-Unis et leurs alliés. Il consiste en l’utilisation de clé de décodage permettant d’éliminer les dégradations volontaires (SA et AS). Les récepteurs PPS peuvent travailler sur les deux fréquences, en mesurant les pseudodistances et la phase (cf.§III.3 ). Dans ce service les utilisateurs peuvent avoir des précisions très satisfaisantes, car il effectue une mesure de phase sur une fréquence de 1227,60Mhz offrant une précision beaucoup plus petit que celle du service standard variant de quelques mètres.

Les signaux GPS 

Le système GPS a une fréquence de basef 0 = 10,23 MHz, qui définit toutes les autres fréquences utilisées par le système. Les satellitesémettent ainsi sur deux fréquences porteuses L1 et L2 :
– L1 = 1575,42 MHz = 154.f0.
– L2 = 1227,60 MHz = 120.f0.
La fréquence de base est générée dans les satellitepar des horloges atomiques, celle-ci étant légèrement décalée pour compenser les effets relativistes. Le système utilise de plus deux codes pour transmettre les données de navigation. Le code C/A (coarse acquisition) et le code P (precise) ou Y.

Le code C/A (coarse/acquisition) 

Le code C/A (Coarse Aquisition), de fréquence 10 fois inférieure à la fréquence fondamentale fo, est un code transmis uniquement par la porteuse L1, récemment nommé « SPS » et de période de 1 milliseconde. Il est constitué d’une séquence de bit 0 ou 1 appelée PRN (Pseudo Random Noise) de fréquence 1,023Mhz c’est-à-dire 1,023Mbps. La génération du code C/A est basée sur la génération de deux codes polynomiaux G1 et G2 suivantes : G1 : 1 + X3 + X10 et G2 : 1 + X2 + X3 + X6 + X8 + X9 + X10.
Un registre à décalage appelé TFSR (Tapped Feed back Shift Registers) est utilisé pour la génération de ces deux codes et synchronisépar une horloge fonctionnant à une fréquence de 1,023Mhz. À chaque impulsion d’horloge le bit dans les registres est décalé vers la droite où le contenu du registre extrême droiteest lu comme sortie pour G1. Une nouvelle valeur dans le registre extrême gauche est créée rpal’addition binaire du contenu d’un groupe spécifié de registres. Dans le cas du code C/A deuxdes 10-bit du TFSR sont employés pour générer G1 et G2. La sortie de G1 (registre extrêmedroite) est combinée au contenu du registre G2. Les différentes combinaisons de sortie des registres de G2, une fois additionnée à la sortie du code G1, mène à différents codes PRN. Il y a 36 codes uniques qui peuvent être produits d’une façon si franche. La Fig.2.4 montre également les trois premiers étapes de PRN: PRN1 active le contenu du registre 2 et 6, et l’ajoute à la sortie de G1, PRN2 active le contenu du registre 3 et 7, PRN3 active le contenu du registre 4 et 8, et ainsi de suite.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I GENERALITE SUR LES SATELLITES ET LES METHODES D’ACCES A SES CANAUX
I.1 Introduction
I.2 Architecture d’un système spatial
a. Segment spatial
b. Segment terrestre
I.3 Orbites et fréquences des satellites
a. Répartition des orbites satellitaires
i. Les satellites en orbites basses
ii. Les satellites en orbites moyennes
iii. Les satellites géostationnaires
iv. Les satellites en orbite elliptique haute
b. Bandes de fréquences utilisées
I.4 Méthodes d’accès multiples aux canaux satellites
a. Définition de l’Accès Multiple
i. Accès Multiple par Répartition en Fréquence (A.M.R.F)
ii. Accès Multiple par Répartition dans le Temps (A.M.R.T)
b. L’Accès Multiple par Répartition de Code ou CDMA
i. Principe d’étalement de spectre
ii. Etalement par saut de fréquence ou Frequency Hopping (FH-CDMA)
iii. Multiplexage par code ou Direct Sequencing (DS-CDMA)
iv. Les propriétés des codes
v. Le CDMA de l’émission à la réception
CHAPITRE II LE GPS (GLOBAL POSITIONNING SYSTEM)
II.1 Introduction
II.2 Description du système
a. Le segment spatial
b. Le secteur de contrôle
c. Le segment utilisateur
i. Le service SPS
ii. Le service PPS
II.3 Les signaux GPS
a. Le code C/A (coarse/acquisition)
b. Le code P et Y
c. Le message de navigation
d. Génération des signaux GPS
II.4 . Le récepteur GPS
a. Récepteur séquentiel
b. Récepteur multiplexé
c. Récepteur à canaux parallèles
d. Architecture d’un récepteur GPS
II.5 La synchronisation
a. La synchronisation initiale ou étape d’acquisition
b. Le maintient de la synchronisation
CHAPITRE III POSITIONNEMENT PAR GPS
III.1 Introduction
III.2 Equation de base de la recherche de position
III.3 Les techniques de mesures
a. Mesure de la pseudo distance
b. La mesure de phase
c. Bruit des mesures
III.4 Positionnement
a. Positionnement absolue ou autonome
b. Le positionnement relatif par mesure de phases
III.5 Précision et erreur
a. Le DOP (Dilution Of Precision)
i. Le GDOP (Geometric Dilution Of Precision)
ii. Le PDOP (Positional Dilution of Precision)
iii. Le HDOP (Horizontal Dilution of Precision)
iv. Le VDOP (Vertical Dilution of Precision)
b. Les erreurs
i. La synchronisation des horloges
ii. Les erreurs dues aux orbites
iii. Les erreurs dues à l’atmosphère
iv. Les multi trajets du signal
CHAPITRE IV APPLICATION DU GPS DANS LES RESEAUX MOBILES GSM45
IV.1 Notion sur le GSM (Global System for Mobile communication)
a. Introduction
b. Infrastructure d’un réseau GSM
c. Les équipements d’un réseau GSM
i. La station de base ou BTS
ii. Le contrôleur de station de base BSC
iii. Le commutateur MSC (Mobile Switching Service)
iv. L’enregistreur de localisation nominale HLR (Home Locator Register)
v. L’enregistreur de location des visiteurs VLR (Visitor Location Register)
vi. Les centre d’authentification AUC (Authentification Center)
vii. Le centre d’exploitation de maintenance OMC (Operating and Maintenance Center)
d. Fonctionnement
IV.2 Implémentation d’un service géolocalisé ou LBS (Location Based Service) dans un réseau GSM
IV.3 Le GPS assisté ou A-GPS dans les réseaux cellulaires
a. Introduction
b. Limite du récepteur GPS
i. Time to First Fixe (TTFF)
ii. Atténuation du signal GPS
c. Concept du A-GPS
d. Architecture client serveur du A-GPS
e. Les moyens de transmission de l’information d’assistance
i. L’architecture plan de contrôle ou « control Plane »
ii. L’architecture plan utilisateur ou « User Plane »
f. Les types de solution A-GPS
g. Les performances du A-GPS
h. Les applications du A-GPS
Conclusion
Annexes 1
Annexes 2

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