Soutenance mémoire
Les réseaux sans fil
Un réseau sans fil est un réseau dans lequel deux terminaux ou plus peuvent communiquer sans liaison filaire. Grâce aux réseaux sans fil, un utilisateur a la possibilité de rester connecté tout en se déplaçant dans un périmètre géographique plus ou moins étendu. Les réseaux sans fil se divisent en plusieurs catégories différentes selon la taille de la zone géographique à couvrir [2]. On distingue les réseaux personnels sans fil (WPAN), les réseaux locaux sans fil (WLAN), les réseaux métropolitains sans fil (WMAN) et les réseaux étendus sans fil (WWAN) (figure I.1). Chacune de ces catégories regroupe différents standards de communication permettant de relier très facilement des équipements distants d’une dizaine de mètres à quelques kilomètres. Dans l’intention de toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un débit et une qualité de service meilleurs, les constructeurs cherchent à proposer des terminaux mobiles intégrant différents standards et capables de gérer cette cohabitation. Dans la catégorie WPAN (Wireless Personal Area Networks), on retrouve les réseaux sans fil à l’échelle humaine dont la portée maximale est limitée à quelques dizaines de mètres autour de l’usager (bureaux, salles de conférence…). On y trouve les standards tels que le Bluetooth [3], ZigBee et HomeRF [4]. Les WLAN (Wireless Local Area Networks) constituent la catégorie des réseaux locaux sans fil dont la portée va jusqu’à 500 m, pour des applications couvrant un campus, un bâtiment, un aéroport, un hôpital, etc. On y trouve les standards tels que le WiFi (Wireless Fidelity) [5, 6] et les HiperLAN. Les WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks), plus connus sous le nom de Boucle Locale Radio (BLR), utilisent le même matériel que celui constituant un WLAN mais avec une couverture plus grande (de la taille d’une ville) avec une portée pouvant aller jusqu’à 50 Km. C’est dans cette catégorie que l’on classe Le LMDS [7, 8], le HiperMAN [9] et le WiMAX [10, 11]. La catégorie de réseaux cellulaires mobiles WWAN (Wireless Wide Area Networks) [12] dont la zone de couverture est très large, à l’échelle mondiale. Dans cette catégorie, on peut citer le GSM et ses évolutions (GPRS,EDGE), l’UMTS et le LTE.
Historique du standard IEEE 802.16
IEEE 802.16-2001 Cette première version du standard définit un ensemble de caractéristiques relatives aux couches PHY et MAC dans le but de mettre en place des réseaux d’accès fixes à haut débit. Ces réseaux ont soit une topologie point-à-point (PTP pour Point-to-Point) ou point-à-multipoint (PTM pour Point-to-Multipoint) [14]. Au niveau de la couche physique, une modulation mono porteuse est utilisée sur la bande de fréquence de 10 à 66 GHz. Les modulations utilisées, la durée ainsi que les moments où une émission de l’information doit avoir lieu sont gérés par la station de base (BS: Base Station). Ces paramètres sont, également, partagés avec tous les nœuds du réseau sous forme de liaisons montantes et descendantes. Les abonnés doivent pouvoir communiquer seulement avec la BS avec laquelle ils sont connectés et non avec les autres nœuds du réseau. Les stations clientes (SS: Subscriber Station) ont la capacité de négocier l’allocation de la bande utile du signal selon un principe dit Burst-à-Burst, garantissant une certaine flexibilité. Les modulations disponibles dans cette version sont la QPSK, 16-QAM et 64-QAM. En fonction de la qualité du lien établi entre la BS et la SS, le type de modulation peut changer d’une trame à une autre et même d’une SS à une autre. Les techniques de duplexage supportées sont le duplexage temporel (TDD: Time Division Duplexing) et le duplexage fréquentiel (FDD: Frequency Division Duplexing). Il faut noter que cette norme est valable seulement pour les communications en milieu extérieur et dans le cas d’une liaison en vue directe (LOS: Line Of Sight).
IEEE 802.16a-2003 Cette version est l’amélioration de la norme IEEE 802.16-2001, elle permet d’augmenter la capacité de la couche MAC à gérer plusieurs paramètres au niveau de la couche physique. Elle a été approuvée en Janvier 2003 par le groupe de travail IEEE 802.16. Cette version rallonge la bande de travail au niveau de la couche physique pour inclure la bande de fréquences de 2 à 11GHz. Cela permet d’accroître la largeur de la bande et donc la couverture du réseau. Ainsi, l’information atteint des récepteurs se trouvant même à des endroits sans visibilité directe (NLOS: No Line Of Sight) avec la BS. Ces liaisons NLOS donnent naissance à des phénomènes d’interférences, dus à la propagation multi-trajets, qui viennent perturber le signal comme nous l’avons détaillé en I.3. Des techniques de gestion de puissance et d’utilisation d’antennes intelligentes sont prévues pour lutter contre ces interférences. L’utilisation d’une modulation multiporteuses (OFDM) a été, également, considérée comme une alternative à la modulation monoporteuse. La sécurité des systèmes a été améliorée en rendant l’application de plusieurs techniques de sécurisation obligatoire alors qu’elle était facultative dans le cas de la norme IEEE 802.16-2001.
IEEE 802.16c-2002 En Décembre 2002, la version IEEE 802.16c a été certifiée. Dans cette version, des profiles de système travaillant sur la bande 10 à 66 GHz ont été ajoutés et plusieurs erreurs de l’ancienne version rectifiées.
IEEE 802.16-2004 L’ensemble de toutes les rectifications apportées aux normes IEEE 802.16-2001, 802.16a-2003 et 802.16c-2002 ont été regroupées pour créer la norme IEEE 802.16-2004. Au début, cette version a été annoncée comme une révision des anciennes normes et a été baptisée 802.16REVd, mais elle a été rapidement changée en version complète avec la qualification 802.16-2004 (ou 802.16d).
IEEE 802.16e Cette version offre la possibilité de se connecter en haut débit en situation de mobilité (à moins de 120 Km/h) et intègre en plus les caractéristiques de la norme IEEE 802.16d (compatibilité). Elle est appelée WIMAX mobile.
Les principaux équipements du réseau WiMAX
Depuis le cœur du réseau et en descendant vers l’utilisateur, on trouve les éléments suivants:
• Une liaison à très haut débit, par fibre optique ou faisceau hertzien, alimentant l’émetteur WiMAX.
• Station de base (BS), constituée d’une antenne et d’un matériel radio contenant le dispositif électronique.
• Entre l’antenne et l’utilisateur, plusieurs kilomètres de transmission sans fil.
• Chez l’abonné, une antenne WiMAX assure la liaison entre l’émetteur de la zone et l’équipement connecté (ordinateur ou autre).
La station de base WiMAX La station de base WiMAX est constituée d’une armoire ou boîtier contenant les cartes ou modules électroniques qui exécutent les fonctions radio, réseau et sécurité; et d’une ou plusieurs antennes. Les stations de base sont généralement installées sur des pylônes, châteaux d’eau, tours hertziennes, ou toit des immeubles.
Les récepteurs WiMAX A la différence des réseaux mobiles où tous les terminaux ont des antennes omnidirectionnelles, les réseaux WiMAX combinent des équipements indoor et des équipements outdoor à antennes souvent directionnelles. Les unités indoor présentent un gain d’antenne plus faible afin de réduire la taille de l’équipement et les coûts, ce qui aboutit à une diminution du gain du système de 6 dB. Les récepteurs WiMAX (CPE) sont de trois types principaux :
• Les points d’accès WiMAX que l’on utilise généralement avec des antennes réceptrices placées sur le toit en mode fixe.
• Les puces électroniques à intégrer dans les PDA et autres petits terminaux pour le WiMAX mobile.
• Les cartes NIC WiMAX de type PCMCIA contenant une antenne intégrée et que l’on branche directement sur le terminal de l’utilisateur.
Les couches protocolaires de la norme IEEE 802.16
La norme IEEE 802.16 est basée sur une architecture en deux couches [11, 14] (figure I.3):
• La couche 1 du modèle OSI ou couche physique, qui a pour fonction la transmission et le traitement physique de l’information;
• La sous couche MAC (Medium Access Control) appartenant à la couche 2 du modèle OSI ou couche liaison de données, qui s’occupe du transfert en bloc des données de signalisation.
La couche physique Elle est caractérisée par l’utilisation du multiplexage par répartition en fréquence sur des porteuses orthogonales (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing), la technique de multiplexage qui consiste à subdiviser la bande de transmission en N sous canaux, conduisant a une augmentation de la durée symbole. Cela revient à dire, qu’un flux de données à transmettre est divise en plusieurs sous flux de données parallèles, qui seront modules et transmis sur des sous bandes orthogonales différentes. Plus spécifiquement, le second chapitre identifie les éléments de la couche physique qui nous intéressent, à savoir, la technique OFDM, la modulation M-QAM, le codage et les techniques d’émission MIMO.
La couche MAC La couche MAC (Media Access Control) assure le contrôle et la gestion des ressources du canal radio, la gestion des trames de données (fragmentation des paquets descendants et assemblage des trames montantes) et celle d’erreurs de transmission ; est séparée en trois sous-couches :
• La sous-couche spécifique de convergence de services (SSCS) ;
• La sous-couche commune (Common Part Sublayer : CPS) ;
• La sous-couche de protection (Privacy Sub-layer : PS)
Les modes de duplexage
La transmission de signaux WiMAX se fait sous forme de trames. La trame est un arrangement bien structuré des informations à transmettre. Elle comporte deux sous-ensembles, un pour la liaison descendante (DL) entre la station de base (BS) et la station cliente (SS) et un pour la liaison montante (UL). Pour les différentes interfaces air définies par la norme, deux modes de duplexage sont possibles, soit temporel (TDD), soit fréquentiel (FDD) (figure I.5). Le mode TDD est néanmoins préféré au mode FDD pour les raisons suivantes :
• la conception de la tête RF est plus simple (seulement un circuit avec un commutateur),
• il est possible d’estimer le canal par réciprocité pour permettre une adaptation plus aisée de la liaison aux techniques de systèmes à antennes intelligentes,
• la gestion du spectre fréquentiel est meilleure,
• l’allocation dynamique des ressources de la voie descendante (DL) et montante (UL), le trafic peut devenir plus facilement asymétrique (adaptation en fonction du trafic).
Concernant le duplex fréquentiel, deux modes sont possibles : le “full duplex”, ou le “half duplex”, noté HFDD. Dans ce dernier cas, l’équipement client (CPE: Customer Premised Equipment) ne peut pas émettre et recevoir en même temps.
A. Le mode duplex TDD En mode TDD, la trame est séparée en deux sous-trames successives, la première pour le lien descendant et la seconde pour la voie montante. La durée totale d’une trame est constante et est comprise entre 2 et 20 ms (la durée est fixée par l’opérateur lors de la mise en place du réseau). Cependant le ratio entre la partie descendante et montante est adaptatif en fonction du trafic sur le réseau. Ce partage de la trame entre les deux voies est paramétré au niveau des couches réseaux. Des temps de transitions sont nécessaires entre les changements d’états (montant et descen-dant) pour permettre aux équipements de passer du mode d’émission au mode de réception et inversement. Ces temps sont appelés respectivement TTG (Transmit Transition Gap) et RTG (Receive Transition Gap) et ne sont pas forcément de durée égale. B. Le mode duplex FDD En mode FDD, les liens DL et UL utilisent un canal fréquentiel différent. La durée de la trame est fixe et les voies UL et DL utilisent la durée totale de la trame. Comme dans le cas du mode TDD des bursts sont alloués à chacune des SS pour structurer la trame. Certaines stations clientes ne fonctionnent pas en mode FDD classique, mais utilisent le mode HFDD. Les équipements fonctionnant avec ce mode ne peuvent pas émettre et recevoir simultanément. Dans ce cas l’allocation de bande passante de la voie montante pour un terminal particulier ne pourra pas lui être attribuée en même temps qu’il reçoit des données. De plus il faut considérer le temps de transition nécessaire à celui-ci pour passer du mode réception au mode émission (SSRTG) et inversement (SSTTG).
B. Le mode duplex FDD En mode FDD, les liens DL et UL utilisent un canal fréquentiel différent. La durée de la trame est fixe et les voies UL et DL utilisent la durée totale de la trame. Comme dans le cas du mode TDD des bursts sont alloués à chacune des SS pour structurer la trame. Certaines stations clientes ne fonctionnent pas en mode FDD classique, mais utilisent le mode HFDD. Les équipements fonctionnant avec ce mode ne peuvent pas émettre et recevoir simultanément. Dans ce cas l’allocation de bande passante de la voie montante pour un terminal particulier ne pourra pas lui être attribuée en même temps qu’il reçoit des données. De plus il faut considérer le temps de transition nécessaire à celui-ci pour passer du mode réception au mode émission (SSRTG) et inversement (SSTTG).
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Table des matières
Dédicace
Remerciement
Résumé
Abstract
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre | I ÉTAT DE L’ART : RESEAU WIMAX ET TECHNOLOGIE MIMO
I.1 Introduction
I.2 Les réseaux sans fil
I.3 Le réseau WiMAX
I.3.1 Historique du standard IEEE 802.16
I.3.1.1 IEEE 802.16-2001
I.3.1.2 IEEE 802.16a-2003
I.3.1.3 IEEE 802.16c-2002
I.3.1.4 IEEE 802.16-2004
I.3.1.5 IEEE 802.16e
I.3.2 Mode de couverture avec le réseau WiMAX
I.3.2.1 La desserte avec WiMAX
I.3.2.2 La collecte avec WiMAX
I.3.3 Mode opératoire du réseau WiMAX
I.3.4 Les principaux équipements du réseau WiMAX
I.3.4.1 La station de base WiMAX
I.3.4.2 Les récepteurs WiMAX
I.3.5 Les couches protocolaires de la norme IEEE 802.16
I.3.5.1 La couche physique
I.3.5.2 La couche MAC
I.3.6 Le standard IEEE 802.16d
I.3.6.1 Les modes de duplexage
A. Le mode duplex TDD
B. Le mode duplex FDD
I.3.6.2 Modulation adaptative
I.4 Le canal de propagation
I.4.1 Propagation en espace libre
I.4.2 Propagation en environnement réel
I.4.3 Modélisation
I.5 Les systèmes MIMO
I.5.1 Les principes du MIMO
I.5.2 Modèle du canal MIMO
I.5.3 Intérêt de la transmission sur plusieurs antennes
I.5.4 Capacité des canaux MIMO
I.5.4.1 Capacité du canal SISO
I.5.4.2 Capacité du canal SIMO
I.5.4.3 Capacité du canal MIMO
I.5.5 Les différentes techniques MIMO étudiées
I.5.5.1 Le multiplexage spatial
A. Décodage V-BLAST
B. Ordre, Suppression et Annulation
I.5.5.2 Codage Espace-Temps en Bloc
A. Le cas MISO
B. Le cas MIMO
I.6 Conclusion
Chapitre | II SYSTÈME DE COMMUNICATIONS SANS FIL BASÉ SUR LES SPÉCIFICATIONS WIMAX MIMO-OFDM
II.1 Introduction
II.2 Les systèmes OFDM
II.2.1 Génération des symboles OFDM
II.2.2 Préfixe cyclique
II.3 La couche PHY WiMAX-OFDM
II.3.1 Structure des symboles
II.3.2 Structure des trames
II.3.2.1 Lien descendant (DownLink)
II.3.2.2 Lien montant (UpLink)
II.4 La structure du système WiMAX-MIMO-OFDM
II.4.1 Chaîne d’émission
II.4.1.1 Le codage de canal
II.4.1.1.1 Embrouillage
II.4.1.1.2 Codage correcteur d’erreurs
A. Codage Reed-Solomon
B. Codage Convolutif
II.4.1.1.3 Entrelacement
II.4.1.2 Modulation
II.4.1.3 Codeurs MIMO
II.4.1.3.1 Multiplexage spatial
II.4.1.3.2 Codage espace-temps en bloc
II.4.1.4 Génération des pilotes
II.4.1.5 Assemblage
II.4.1.6 IFFT
II.4.1.7 Insertion du Préfixe Cyclique
II.4.1.8 Génération du préambule
II.4.1.9 Filtrage et sur-échantillonnage
II.4.2 Chaîne de réception
II.4.2.1 Filtrage et Sous-échantillonnage
II.4.2.2 FFT
II.4.2.3 Désassemblage
II.4.2.4 Estimation de canal
II.4.2.5 Décodeurs MIMO
II.4.2.6 Démodulation
II.4.2.7 Décodage de canal
II.4.2.7.1 Désentrelacement
II.4.2.7.2 Décodage correcteur d’erreurs
A. Décodage de Viterbi
B. Décodage de Reed-Solomon
II.4.2.7.3 Désembrouillage
II.5 Simulation du système WiMAX
II.5.1 Les caractéristiques de la liaison WiMAX simulée
II.5.2 Les résultats des simulations
II.6 Conclusion
Chapitre | III IMPLÉMENTATION ET SIMULATION D’UN SYSTÈME WIMAX INTÉGRANT LA TECHNIQUE MIMO
III.1 Introduction
III.2 Architecture du système MIMO-WiMAX
III.2.1 Description du système implémenté
III.2.2 Calcul du débit utile de données
III.3 La structure du simulateur WiMOS©
III.3.1 Présentation du simulateur
III.3.2 Structure du simulateur
III.3.3 Installation du simulateur
III.3.4 Les interfaces utilisateur
III.4 Simulations et résultats
III.4.1 Techniques d’émission et nombre d’antennes
III.4.2 Codage de canal
III.4.3 Taille de constellation des modulations
III.4.4 Système OFDM
III.4.4.1 Nombre de sous-porteuses
III.4.4.2 Intervalle de garde
III.5 Modulation et codage adaptatifs
III.5.1 Principe de l’AMC
III.5.2 Estimation de la qualité du canal
III.5.3 Simulations de l’AMC
III.5.4 L’AMC dans le système WIMAX-MIMO-OFDM
III.6 Conclusion
Chapitre | IV MÉCANISME DE CROSS-LAYER DESIGN ADAPTÉ POUR LES RÉSEAUX WIMAX-MIMO
IV.1 Introduction
IV.2 Motivations et objectifs
IV.3 Le Cross-Layer pour les réseaux sans fil
IV.3.1 Le concept du Cross-layer
IV.3.2 La communication dans les architectures Cross-Layer
IV.3.2.1 Communication directe entre les couches
IV.3.2.2 Communication via une base de données partagée
IV.3.3 Les approches du Cross-layer dans les réseaux sans fil
IV.4 Mécanisme Cross-Layer dans le WiMAX à base de Modulation et Cadage Adabtatifs
IV.4.1 L’architecture Cross-Layer proposée
IV.4.2 Le concept de l’architecture Cross-Layer proposée
IV.4.3 La fonction d’identification
IV.4.4 Description analytique du mécanisme proposé
IV.5 L’algorithme du mécanisme d’adaptation proposé
IV.6 Résultats de simulation
IV.7 Conclusion
Chapitre | V ACCÈS MULTIPLE DANS LE SYSTÈME SANS FIL WIMAX MIMO-OFDM
V.1 Introduction
V.2 Présentation du système
V.3 Techniques d’accès multiple utilisant l’OFDM
V.3.1 L’accès multiple OFDM-TDMA
V.3.2 L’accès multiple OFDM-FDMA (OFDMA)
V.3.2.1 L’accès multiple Bloc FDMA
V.3.2.2 L’accès multiple FDMA-Entrelacé
V.3.2.3 L’accès multiple OFDMA Adaptative
V.3.3 L’accès multiple CDMA-OFDM
V.3.4 Choix de la technique d’accès multiple
V.4 Accès multiple MIMO-OFDMA
V.4.1 Etat de l’art sur l’allocation de ressources en OFDMA
V.4.2 Contexte de notre contribution
V.5 Modèle du système MIMO-OFDMA et hypothèses
V.6 Algorithme d’allocation de ressources proposé
V.6.1 Étape 1 – Nombre des sous-porteuses par utilisateur
V.6.2 Étape 2 – l’affectation des sous-porteuse
V.6.3 Étape 3 – Allocation de puissance entre les utilisateurs
V.7 Résultats de simulation
V.7.1 Premier scénario
V.7.2 Deuxième scénario
V.8 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
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