wimax - High-Tech

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wimax - High-Tech

Cours des réseaux mobiles
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
WIMAX
HAZAOUD High-tec 2009/2010
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Sommaire
Pages
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Introduction
Historique
Applications
Architecture du réseau Wimax
Domaines d’application
Bande de fréquence
Le standard IEEE 802.16
Architecture en couche
La technique OFDM
Les techniques d’accès
Modulation
Le codage
La sécurité et qualité de service
Les principaux features de wimax
Evolutivité et perspective
Exemple de réalisation
Bibleographie
Glossaire
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Introduction
Pourquoi la boucle locale radio radio ?
o les zones isolées ou trop éloignées géographiquement ne pouvaient être couvertes
par l’Internet à haut débit, pour des raisons de coûts liés au déploiement des câbles.
Problème du Dégroupage de la boucle filaire
o Indépendance de l’opérateur historique
o Déploiement d’antennes sur les toits d’immeubles pas besoin de verser pour une
licence d’exploitation.
La boucle locale radio désigne les infrastructures de transmission d’un réseau de
télécommunications ouvert au public reliant directement les clients aux équipements de
commutation auxquels ils sont rattachés. Les technologies radio dans la boucle locale
constituent aujourd’hui une solution de substitution aux moyens filaires pour le
raccordement direct de clients et de la fourniture de services de télécommunications
fixes.
Architecture
Le premier élément de l’architecture BLR est la station de base
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
La station de base.
Au niveau de la situation de base (en fait quatre stations aux quatres coins de
l’immeuble qui couvrent chacun un faisceau d’ondes sur un angle de 90 degrés),
Une passerelle qui transforme le protocole réseau fixe employé pour la transmission
(par exemple ATM sous forme de paquets de données) en un équivalent propriétaire sous
forme d’ondes radio.
Chez le client, une petite antenne doit être placée sur le toit de l’immeuble ou au
minimum sur un balcon exposé dans la bonne direction. Celle-ci est reliée par un câble à
un boîtier périphérique de l’ordinateur, qui joue le rôle de modem
(Modulateur/Demodulateur de fréquences).
De son côté, l’opérateur doit disposer d’antennes éparpillées sur le territoire sachant
qu’elles doivent être au maximum à 15 kilomètres du client final.
Cette technologie autorise au final un débit allant jusqu’à 132 Mbits/seconde.
Après l’arrivée du WiFi, un nouveau standard est amené à faire son apparition sur le
marché de l’internet sans fil haut débit : le WiMax (Worldwide Interoperability for
Microwave Access).
C’est une norme IEEE de communication sans fil basée sur la famille 802.16x qui a aussi
pour dénomination WiFi métropolitain.Celle-ci est adaptée à la gestion du dernier
kilomètre.
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Hidtorique
La norme IEEE 802.16 - publiée en 2001 et baptisée commercialement WiMax
(Worldwide interoperability for Microwave Access) - fournit des liens de 5 km avec
ligne de vue, dans la bande des 10 à 66 GHz. La largeur des canaux retenue pour
l'Europe (28 MHz) autorise un débit de 132 Mbit/s.
L'amendement 802.16a, publié en janvier 2003, étend le standard à la bande des 2 à 11
GHz. C’est une norme qui en est encore à l'état de développement. Basée sur le standard
de transmission radio 802.16, Après les liaisons fixes point à point, le WiMax devrait
évoluer vers la mobilité.
Le 802.16a n'intègre pas le « roaming ». Il ne s'agit donc que d'une liaison point à point,
d'une antenne fixe vers une autre antenne fixe.
Le 802.16e intègrera le « roaming ». Le WiMax sera alors complémentaire du WiFi ou de
la 3G pour les réseaux mobiles.
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
WiFi permet de créer des réseaux locaux sans fil de type RLAN (Radio Low Area
Networks), le WiMax est voué à construire des réseaux RMAN (Radio Medium Area
Neworks) plus vastes. Théoriquement, le WiMax devrait proposer un débit maximum de
100 mégabits par seconde (Mbps), dans un rayon d'action de 50 kilomètres. Le maximum
en WiFi est de 54 Megabits en simple canal mais la portée du signal ne peut pas
dépasser les 100 mètres.
WiMAX permettrait de gérer directement le "dernier kilomètre". Cette option
nécessite cependant un taux d´équipement important en technologie WiMax alors que
les entreprises s´équipent massivement en technologie WiFi.
Cela n'entrerait pas en conflit avec le WiFi, longueur de portée oblige. « Le WiFi est
réservé aux « hot-spots » en milieu urbain alors que le WiMax s'adapte mieux au milieu
rural ».
En pratique, une transmission WiMax moyenne devrait atteindre 12 Mégabits par
seconde sur une portée de 20 km. Il s'agit pour l'instant d'une liaison de point à point,
sans mobilité possible, d'une antenne fixe vers une autre antenne fixe.
Le futur marché du WiMax peut intéresser les opérateurs de téléphonie mobile
notamment pour distribuer des accès haut débit dans des zones rurales non desservies,
pour les entreprises comme pour les particuliers, ou encore pour raccorder plusieurs
sites d’une même entreprise, évitant ainsi d’avoir recours aux liaisons spécialisées.
Cette technologie peut-être donc une alternative à l’ADSL, la BLR et enfin les lignes
spécialisées car elle va proposer des débits supérieurs, sans nécessiter de lourds
investissements dans les zones isolées, onéreuses à connecter avec des technologies
câblées. Enfin, elle peut-être une concurrente à l’UMTS grâce à la norme 802.16e qui
permet, en théorie, une mobilité allant jusqu’à 100km/h.
Plusieurs schémas d’applications :
•
•
•
infrastructure de base sans fil pour les villes, entreprises ou régions.
Couplage de points de connexion WiFi (hot spots) avec le réseau de base
Une connexion sans fil pour les utilisateurs nomades d’une région
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
L’architecture du réseau Wimax :
Le réseau Wimax est formé d’un ensemble d’équipements (deux types d’équipements)
connectés au backbone Internet ou à un réseau privé IP ou un réseau mobile.
o La station de base (Wimax Base Station ou BS)
o L’équipement d’abonné (Wimax Subscriber Station ou SS ou encore appelé
Common Premises Equipement CPE ou même Subscriber Terminal ST).
Le réseau peut être subdivisé en deux sous réseaux
o Le backhaul constitue le réseau formé par l’ensemble des BS interconnectées
point à point entre elles. Une visibilité directe est nécessaire pour faire
communiquer deux BS.
Le réseau d’accès représente la liaison radio entre une BS et l’ensemble des SS qui lui
sont connectées. Cette liaison est généralement qualifiée de point à multipoint, mais une
communication point-à-point entre une BS et une SS est possible. Ce sous réseau permet
l’accès des abonnés dans le réseau global.
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IP Core
Network
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Wimax backhaul PTP LOS
Wimax PMP NLOS
Wimax BS
Wimax CPE
Architecture simple du réseau Wimax
Architecture générale (End-to-End Architecture):
L’architecture End-to-End montre la place du réseau Wimax dans une représentation
plus générale des réseaux. Il présente les différents segments du réseau :
o User Equipement (UE), UE est composé de l’ensemble des équipements d’abonné
connectés au réseau Wimax.
o Network Access Provider (NAP), NAP est le réseau d’accès Wimax composé de
stations de bases Wimax
o Network Service Provider (NSP) et le réseau Internet. représente les
fournisseurs de services (les entreprises, les ISP, les réseaux téléphoniques
fixes et mobiles).
Architecture end-to end
Le réseau Wimax est ainsi situé entre les parties UE et NAP et offre aux utilisateurs
un accès aux fournisseurs de services via un réseau de transport.
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
ASP: Application Service Provider
ISP: Internet Service Provider
Domaines d’application :
Accès Internet à haut débit sans fil,
la voix sur IP et la vidéo à la demande.
Wimax est destiné au secteur industriel, les résidentiels et SOHO (Small Office, Home
Office), le milieu rural, le milieu business et pour le grand public Hot spot.
Avantages
Le Wimax assure une qualité de service de haut niveau et une sécurité meilleure que
celles du WiFi.
- Des débits très supérieurs à ceux du DSL pour des portées de plus de 20Km.
- La grande capacité grâce aux méthodes de multiplexage, d’accès, de modulations
et d’optimisation de la bande de fréquence.
- Déploiement facile et rapide à un coût raisonnable.
- Equipements d’abonné ne nécessitent pas une qualification professionnelle (Selfinstall).
- Une interopérabilité et une compatibilité au niveau des équipements des
opérateurs.
Domaines d’application de Wimax
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
La bande de fréquence :
La bande de fréquence de Wimax est 2-60 GHz. Actuellement, cette bande est
subdivisée en plusieurs sous bandes avec ou sans licence.
le 802.16-2004 comme toutes les normes 802.16, supporte les modes de duplexage TDD
(Time Division Duplex : 1 canal) et FDD (Frequency Division Duplex : 2 canaux). Dans la plupart
du temps, et dans les bandes avec licence, c’est le FDD qui est utilisé comme mode de
duplexage, et dans la bande sans licence, la méthode de duplexage utilisé est le TDD.
Le Standard IEEE 802.16 :
Le standard IEEE 802.16 comporte plusieurs variantes en pleine évolution.
les plus connues sont :.
La norme IEEE 802.16 :
La norme IEEE 802.16 est la première version du standard et a été approuvée par
Wimax Forum en 2001. La bande de fréquences correspondait à 10-66 GHz et le
système fonctionnait en LOS(Ligne of Sight) ligne de vue. Les débits était élevés et la
couverture large. Cette norme a connu des limitations dues à sa non résistance aux
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
obstacles et à sa limitation en matière de features (techniques avancées utilisées en
Wimax). La largeur de bande ne pouvait prendre que trois valeurs : 20, 25 et 28 MHz.
Mais ce problème de NLOS(Non Ligne of Sight) sera résolu plus tard par la version
développée en 2003 qui est le 802.16a.
La norme IEEE 802.16a :
La norme IEEE 802.16a a été validée en janvier 2003. Elle opère sur la bande des
2-11 GHz. Cette bande de fréquences inférieure à celle des 10 à 66 GHz permet de
travailler en NLOS, ce qui fait qu’elle constitue une solution très appropriée pour le
‘’dernier kilomètre’’ . Cette norme offre des débits théoriques pouvant aller jusqu’à 100
mbps pour une bande de canal de 20 MHz. Sa portée théorique peut aller jusqu’à 50 Km.
Comme pour la première version du standard, la largeur de bande est figée.
La norme IEEE 802.16d :
La 802.16d est validée le 24 juin 2004. C’est une amélioration de la norme IEEE
802.16a et 802.16 et se focalise principalement sur l’interface air. Elle est dénommée
802.16-2004 et constitue la phase actuelle de Wimax. Elle opère dans la bande des 2-11
GHz et prévoit une mobilité réduite (‘’la nomadicité’’). Elles contient plusieurs features
et supporte le plus la propagation NLOS.
La norme IEEE 802.16e :
Cette variante est aussi appelée Mobile WirelessMAN, c’est une amélioration de
presque toutes ces normes, une modification de IEEE 802.16 (‘Air Interface for Fixed
Broadband Wireless Access System’). Elle donne des spécifications pour les couches
Physique et MAC pour permettre des applications pour le fixe et le mobile. Elle offre
des possibilités aux utilisateurs nomades de se connecter aux fournisseurs de services
Internet mobile (Wireless Internet Service Provider ou WISP) quand ils se déplacent
vers des zones où se trouvent d’autres WISP. Elle supporte une mobilité avec des
vitesses pouvant aller jusqu’à 120 Km/h pour une transmission de données. Son débit
maximal théorique est environ de 15 mbps en NLOS et une largeur de bande flexible
allant de 1.25 MHz à 20 MHz. Elle est prévue en fin 2005 et début 2006.
D’autres normes 802.16 existent mais restent presque similaires à ces dernières. Vu
cette évolution, le Wimax pourrait bien concurrencer les normes mobiles existantes
comme le GSM ou même l’UMTS
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Spectre de fréquences Wimax dans la bande 2-11 GHz
La largeur des canaux en Wimax est très flexible, et peut prendre des valeurs entre
1.75 et 20 MHz (1.25 et 20 MHz pour le 802.16e).
Remarque : Généralement en FDD, la bande 3.5 GHz est subdivisée en deux sous bandes,
3.4-3.5 GHz pour le lien descendant (Downlink DL) et 3.5-3.6 GHz pour le lien montant
(Uplink UL).
Wimax supporte aussi la réutilisation des fréquences dans le but d’augmenter la
capacité du réseau ; on parlera dans ce cas de frequency reuse.
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
L’architecture en couches :
L’architecture de IEEE 802.16 est formée de deux couches. Une couche physique
communément nommée PHY, et une couche Medium Access Control notée MAC.
Architecture en couches 802.16
La couche physique (PHY) :
Dans les spécifications de 802.16-2004, des bursts sont utilisés pour une
modulation multi porteuse OFDM (Orthogonale Frequency Division Multiplexing) :. La
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
couche PHY, réalise les mécanismes de modulation et démodulation, le codage et le
décodage des informations, les mécanismes de détection et de correction d’erreurs
La couche Medium Access Control (MAC):
La couche MAC comporte trois sous-couches différenciées par leurs rôles
spécifiques :
• La sous-couche de convergence de couches supérieures (convergence de IP ou
ATM par exemple) : Service Specific Convergence Sublayer.
• La sous-couche des services communs : Common Part Sublayer.
• La sous-couche de protection des données et de la liaison : Privacy Sublayer.
Service Specific Convergence Sublayer (SSCS) :
La sous-couche SSCS définit des services de convergence des couches supérieures.
Elle adapte les SDU (Service Data Unit) des couches supérieures pour une utilisation
dans les couches MAC.
Le principal rôle de SSCS consiste à préserver ou à activer une qualité de service,
activer l’allocation de la bande passante pour une nouvelle connexion, de transmettre les
SDU à la connexion MAC appropriée, améliorer l’efficacité de la liaison par une
amélioration de la charge utile.
Common Part Sublayer (CPS) :
Cette sous-couche offre des services de connexion. Trois types de connexion de
management sont offerts :
• Une connexion basique qui sert pour le transfert de messages de contrôle tels
que les messages de criticité de temps et ceux de contrôle du lien radio (Radio
Link Control ou RLC).
• Une connexion de management pour le transfert de messages plus longs comme
ceux d’authentification ou de configuration des connexions.
• Une troisième connexion de management pour le transfert de messages reposant
sur les protocoles DHCP (Domain Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File
Transfer Protocol) ou SNMP (Simple Network Management Protocol).
Privacy Sublayer (PS) :
La sous-couche PS assure la protection des données avec l’utilisation du protocole
PKM (Privacy Key Management) qui prend en compte plusieurs méthodes de cryptage,
même les plus complexes telle que l’AES (Advanced Encryption Standard).
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Le système de gestion :
Le système de gestion permet d’effectuer les opérations d’administration, de
maintenance et de configuration nécessaires pour une bonne exploitation du réseau dans
les meilleures conditions de qualité de service. Ce système se base sue le modèle TMN
(Telecommunication Management Network) qui prend en considération les cinq fonctions
de management connues sous le nom de FCAPS (Fault, Configuration, Accounting,
Performance and Security).
Fault : Gestion des fautes (SNMP)
La gestion des défauts détecte et corrèle les défauts des unités de réseau (notamment
les équipements d’abonné CPE)
Configuration : Gestion de la configuration
La gestion de la configuration permet de suivre les changements survenus dans le réseau
(Par exemple l’entrée d’un nouvel équipement dans le réseau), de configurer, d’installer
et de distribuer les logiciels sur l’ensemble du réseau pour toutes ses unités. Il permet
également la gestion des identifiants des ressources (ex : adresses IP des machines), la
gestion des paramètres des matériels, la collecte des matériels du réseau pour leur
identification, la collecte des informations sur la topologie logique et géographique du
réseau et les changements d’état des composants, le routage, et la reconfiguration des
ressources.
Accounting : Gestion des coûts
La gestion des coûts collecte et analyse les données comptables pour générer des états
d’utilisation du réseau. Performance : Gestion des performances (évaluation des
performances)
La gestion des performances offre une source continue de supervision des
performances (Qualité de service QoS) et d’allocation des ressources du réseau.
Security : Gestion de la sécurité
La gestion de la sécurité contrôle l’accès aux ressources du réseau. Elle concerne aussi
la sécurité d’intégrité des informations qui circulent sur le réseau, leur fiabilité, leur
confidentialité . La fonction de gestion de la sécurité doit générer les clés nécessaires
pour le cryptage et le décryptage des données devant transiter sur le réseau Wimax.
Les équipements peuvent être managés soit localement (Local Management), soit à
distance (Remote Management). En Remote Management, les plateformes les plus
utilisées sont HP Openview, Telnet SNMP v2, NMS HTTP, CORBA, Netviewer 8.0 et
MIB II (RFC1213) tandis qu’en Local Management, le management se fait par simple
connexion au port RS232 ou Ethernet.
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Les techniques de management sont assez nombreuses. Une première est basée sur les
services web, c’est la plus simple puisqu’elle permet la configuration de petits systèmes
et réseaux. Une autre repose sur l’utilisation des outils de gestion SNMP utilisant les
bases de données MIB II (Management Information Base) de Wimax. Une autre encore
met en place l’utilisation d’un serveur de management (network management server
NMS) qui fonctionne avec la plateforme .NET de Microsoft supportant ainsi le SNMP, le
Wimax MIB II et une base de données SQL. Le serveur fonctionne généralement autour
de IIS (Internet Information Service) et les clients y sont connectés via HTTP. Les
systèmes d’exploitations supportés pour la configuration et le management sont Linux,
Microsoft Windows 2000, Windows XP Professionnel. Tous les équipements du réseau
sont gérés via la station de base. Les terminaux CPE quant à eux peuvent être
configurés localement via un port Ethernet ou série.
La technique OFDM :
Les systèmes OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) subdivisent le canal
en N sous canaux (appelés aussi porteuses ou subchannels) dont les fréquences
centrales sont espacées d’un multiple de l’inverse de la période symbole 1/T.. Les
porteuses sont très rapprochées ce qui fait un recouvrement des bandes, mais
l’orthogonalité des porteuses permet d’annuler les interférences.
Contrairement aux modulations mono porteuses où les données sont émises en série,
l’OFDM repose sur le principe de la transmission par bloc. La modulation d’un bloc de
symboles (ce bloc constitue un symbole OFDM) est réalisée par une transformée de
Fourier inverse. En OFDM, l’orthogonalité nous donne la possibilité de rapprocher les
porteuses sans qu’il y ait interférence. Ce qui fait une utilisation optimale de la bande de
fréquences. La figure suivante présente le spectre des porteuses OFDM (exemple pour
quatre porteuses).
Spectres des porteuses OFDM
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
L’avantage principal de l’OFDM par rapport à la mono porteuse est que les fadings en
fréquences affectent juste quelques symboles dans le cas de l’OFDM, alors qu’ils
affectent presque la totalité des symboles dans la mono porteuse. (Voir les schémas)
o Avantages de l’OFDM :
•
•
•
•
•
Une utilisation efficace des ressources fréquentielles en comparaison avec les
solutions classiques de multiplexage fréquentiel. Ceci est dû au fait que dans
l'OFDM, les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonalité parfaite.
Une égalisation numérique et un décodage simple et optimal grâce à l'utilisation
de l'intervalle de garde (au prix d'une diminution du débit) et de l’algorithme de
Viterbi. De plus, l'utilisation de différents systèmes de codage tels que les codes
convolutionnels et les codes en blocs (Reed Solomon) s'avère très efficace.
Les techniques multi porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque chaque
porteuse est affectée d’un bruit indépendant des autres porteuses.
Contrairement aux modulations mono porteuses ou le bruit peut affecter un
certain nombre de symboles transmis, la perte d’un symbole dû à un bruit
important n’affecte pas les autres symboles.
Les techniques OFDM ont également une très grande flexibilité dans l'allocation
de bit/débit dans des contextes multi-utilisateurs. En effet, en fonction de la
valeur du gain instantané du canal, chaque porteuse peut-être codée
indépendamment des autres porteuses.
Enfin, il est à noter que l’estimation du canal dans le contexte OFDM est facilitée
par l’envoi de séquences d’apprentissage dans le domaine fréquentiel.
L’identification des coefficients du canal se fait sans inversion de systèmes
d’équations.
o Inconvénients de l’OFDM:
•
•
Après la transformée de Fourier inverse discrète du bloc de symbole fréquentiel,
l'OFDM peut engendrer des symboles temporels à forte amplitude en
comparaison avec des techniques mono porteuses (pour lesquelles les
constellations sont émises directement). Ceci crée des contraintes énormes sur
les amplificateurs et conduit à une consommation de puissance importante.
L'OFDM est également très vulnérable aux problèmes de décalage en fréquence
(frequency offset) et de synchronisation. Dans le premier cas, le frequency
offset engendre de l’interférence entre porteuses qui peut détruire
l’orthogonalité des porteuses. Dans le second cas, les erreurs de synchronisation
induisent un déphasage sur les symboles reçus. Les techniques mono porteuses de
compensation sont mal adaptés aux techniques multi porteuses et de nouvelles
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
approches sont à l’étude. Dans les nouveaux standards, les débits plus élevés
accentuent ces difficultés.
Les techniques d’accès :
Les méthodes de duplexage :
Le TDD (Time Division Duplex) et le FDD (Frequency Division Duplex).
TDD : Up et Dl temporellement altérnés sur un même canal
FDD : Up et Dl sur canaux différents ( trafic simultané possible)
Time Division Duplex (TDD) :
En mode TDD, pour un usager, l’émission et la réception se font sur le même
canal mais ne se font pas simultanément; c'est-à-dire les liens montant Uplink et
descendant Downlink partagent le même canal de transmission. Donc dans ce mode, les
transmissions ne peuvent pas se faire simultanément, à un moment donné, l’usager est
soit en train de recevoir, soit en train d’émettre ou soit il n’est pas en communication.
Dans ce dernier cas, la bande peut être utilisée par les autres utilisateurs.
Avantages :
- Le TDD est plus adapté pour les cellules à petite taille
- Il est aussi utilisé pour les zones à dense trafic et à faible mobilité
- Le TDD est plus convenable pour les types d’accès asymétriques (comme l’accès
Internet)
- En TDD les interférences entre canaux sont réduites, plusieurs méthodes sont
utilisées pour résoudre ce problème et en plus l’espacement entre canaux est
assez large
- TDD permet d’augmenter la flexibilité (en matière d’allocation des ressources, ex.
allocation dynamique d’intervalles de temps dans la trame)
Inconvénients :
- Les équipements en TDD sont plus complexes que ceux du FDD, donc coûtent plus
chers
- La synchronisation en TDD est très complexe (synchronisation temporelle)
Frequency Division Duplex (FDD) :
Dans le mode de duplexage FDD, une paire de fréquences est allouée à chaque usager ;
une fréquence pour le lien montant, et une autre pour le lien descendant. L’émission et la
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
réception ne se font pas sur le même canal. Dans ce mode, les transmissions Up-link et
Down-link peuvent se faire simultanément.
Avantages :
- Le FDD supporte plus la mobilité et est généralement utilisé dans les cellules
larges
- Le FDD est plus adapté pour les types d’accès symétriques (où les liens uplink et
downlink ont presque les mêmes débits)
- Le délai de transmission end-to-end est plus réduit en FDD qu’en TDD car le
uplink et le downlink peuvent se faire simultanément
- FDD est très souvent utilisé dans les systèmes où le rapport uplink/downlink est
presque constant en terme de débit (pas de flexibilité en matière d’allocation des
ressources, ex. intervalles de temps dans la trame de durée constante)
- Les équipements FDD sont moins complexes que ceux du TDD et coûtent moins
chers
Inconvénients :
- Dans les systèmes FDD, on a besoin de plus de fréquences puisque chaque
transmission (uplink et downlink) utilise une paire de fréquences
- Les interférences dans les systèmes FDD sont plus fréquentes car beaucoup de
fréquences sont mises en jeu (au moins deux pour chaque terminal)
- FDD n’est pas convenable pour les zones à dense trafic.
Les techniques d’accès en Wimax :
Le Wimax utilise trois types d’accès :
• Single Carrier TDMA, où on a une seule porteuse avec une méthode d’accès
TDMA.
• OFDM 256FFT TDMA qui utilise un multiplexage orthogonal à 256 porteuses avec
un accès TDMA sur chaque porteuse (OFDM : Orthogonal Frequency Division
Multiplexing).
• OFDMA 2048 subcarriers, qui est basé sur un multiplexage orthogonal à 2048
porteuses qui est un cas particulier de FDMA
Single Carrier (SCa) TDMA:
Dans ce mode d’accès, l’utilisateur se voit attribué toute la bande de fréquence mais à
des intervalles de temps bien définis. C’est en d’autres termes, le classique TDMA.
L’inconvénient de ce mode d’accès est que la SS et la BS doivent être en visibilité
directe. Il est utilisé par le 802.16 qui opérait sur la bande 10 - 66 GHz, ce qui fait que
cette dernière n’offrait pas la possibilité de propagation en NLOS. L’interface radio
dans ce cas est désignée WirelessMAN-SCa. A cause de l’architecture point multipoint,
la BS transmet avec un multiplexage temporel TDM (Time Division Multiplex), ce qui fait
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que la trame downlink est divisée en time slot et chaque utilisateur possède un time slot
par trame. De même, le lien montant fonctionne en TDMA.
L’OFDM 256FFT TDMA:
Le mode d’accès OFDM 256FFT TDMA se base sur un multiplexage OFDM sur 256
porteuses puis un accès TDMA sur chaque porteuse. Les symboles ne sont pas transmis
en série comme dans les mono porteuses mais ils sont transmis séparément sur plusieurs
porteuses orthogonales et simultanément, ce qui explique le débit élevé offert par ce
type de multiplexage. Le multiplexage OFDM permet de gagner en débit mais aussi de
résister aux fadings sélectifs en fréquence. Ces derniers affectent seulement quelques
symboles (ceux qui correspondent aux fréquences de fading). Dans ce mode d’accès,
plusieurs types de modulations sont possibles, c'est-à-dire, en plus de la transmission
simultanée des blocs de symboles, ces derniers peuvent être modulés différemment en
PSK ou QAM . Cependant, bien que cet accès présente des avantages considérables, le
système correspondant présente une grande complexité au niveau de la fabrication.
L’interface air correspondante est notée WirelessMAN-OFDM.
Frequency
user1
user2
...
sub
carriers
user3
user4
Ts
Time
L’accès OFDM-TDMA
OFDMA 2048 carriers :
Il consiste à utiliser le multiplexage OFDM, de subdiviser le canal en plusieurs
porteuses orthogonales OFDM (2048 porteuses) et d’attribuer à chaque usager un sous
ensemble de ces porteuses orthogonales. Ce mode est utilisé par la 802.16e, il permet
d’avoir une mobilité souple et de lutter davantage contre le problème des trajets
multiples. Il est équivalent à l’accès OFDM FDMA en matière capacité. L’interface air
est appelée WirelessMAN-OFDMA.
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Frequency
user1
user2
...
sub
carriers
user3
user4
Ts
Time
L’accès OFDMA
La modulation:
Plusieurs types de modulations sont utilisés en Wimax indépendamment du type
d’accès utilisé : BPSK, QPSK, 16QAM et 64QAM.
Une modulation adaptative et dynamique (DAM) :
Le Wimax utilise une modulation dynamique et adaptative (DAM Dynamic Adaptive
Modulation) qui consiste à appliquer la modulation qui fournit le plus de débit dans les
zones où la liaison radio est meilleure. DAM est utilisée pour ajuster la modulation du
signal dépendant de la nature du lien radio (rapport signal à bruit : SNR). Lorsque le lien
radio est de très bonne qualité, la plus bonne modulation est utilisée pour donner au
système plus de capacité. Et lorsque ce lien radio est de mauvaise qualité, la plus faible
modulation est utilisée pour avoir une qualité de la connexion et une stabilité de la
liaison radio. Ceci permet au système d’éviter les ‘fading’ temporels sélectifs. L’idée
première de la modulation dynamique adaptative est d’exploiter au maximum la meilleure
modulation dans les meilleures conditions du signal. La figure ci-dessous présente le
choix de la modulation selon le rapport SNR déterminant la qualité du signal.
La seconde figure ci-dessous montre l’augmentation du débit en ‘’mbps‘’ en fonction de la
modulation.
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
: Modulation Adaptative en Wimax
Le codage :
Wimax utilise un codage par bloc Reed Solomon (RS) pour le mécanisme de correction
d’erreurs FEC (Forward Error Correction). Le codage RS est concaténé avec un codage
convolutionnel pour transmettre de manière robuste les données de contrôle. La
technologie Wimax supporte aussi plusieurs types de codecs pour la voix ou la vidéo.
Tous les types de codecs utilisés dans le réseau VoIP sont alors supportés, c'est-à-dire
la famille des G.7xx (G.711, G.729, G.728 …).
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GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
La sécurité et la qualité de service :
La sécurité :
Le Wimax possède un système de sécurité très avancé. Avant de pouvoir communiquer,
les SS doivent être authentifiées et autorisées à joindre le réseau. Ceci constitue la
première barrière de sécurité du système. L’authentification et l’autorisation se font dès
la phase d’initialisation de la connexion au réseau. Elles permettent au réseau d’identifier
et de reconnaître la station comme appartenant au réseau. En plus, chaque connexion est
identifiée par un identifiant de connexion sur 16 bits (Connection IDentity CID). Il peut y
avoir plusieurs connexions entre la SS et la BS. Des méthodes de cryptage très avancées
comme l’AES (Advanced Encryption Standard) sont utilisées et un protocole de protection
PKM (Privacy Key Management) basé sur l’utilisation des certificats digitaux de la SS et
de la clé publique RSA. Le trafic est crypté par DES (Data Encryption Standard). En
outre, les méthodes de modulation adaptative, de codage convolutionnel et par bloc et de
multiplexage constituent une seconde barrière de sécurité des transactions sur
l’interface air BS-SS.
La Qualité de service :
Toute connexion en Wimax est accompagnée d’un flux de service. Un flux de service est
un flux bidirectionnel de paquets de données qui garantit une certaine qualité de service
(QoS). Chaque flux de service consiste en un ensemble de valeurs de paramètres QoS.
Wimax supporte quatre types de flux de service : Unsolicited Grant Service (UGS), real
time Polling Service (rtPS), non real time Polling Service (nrtPS) et Best Effort Service
(BES). La qualité de service est garantie selon le contrat SLA (Service Level Agreement)
établi entre le provider et l’utilisateur. Les flux de service sont décrits comme suit :
•
Unsolicited Grant Service (UGS) : Ce service est désigné pour supporter des
services dépendant du délai de jitter ou du temps de latence comme VoIP (Voice
over IP). Il offre une garantie stricte du débit et du temps de latence. Il a comme
équivalent le CBR (Constant Bit Rate), service offert en ATM.
•
real time Polling Service (rtPS): Service supportant des paquets de données de
tailles variables. Ce sont en général des flux multimédia comme la vidéo MPEG. Il
offre des garanties pour le débit, mais donne une grande tolérance pour le temps
de latence. Son équivalent en ATM est le RT-VBR (Real Time Variable Bit Rate).
23
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
•
non real time Polling Service (nrtPS): Ce service garantit seulement le débit, il est
destiné pour des applications ne dépendant pas du temps de latence (comme par
exemple les email).C’est le service qui supporte des profiles de burst très variés.
En ATM, il est appelé NRT-VBR (Non RT-VBR).
•
Best Effort Service (BES) : Ce service ne donne pas de garantie, mais offre toutes
les possibilités pour n’importe quelle application. Il est surtout destiné pour des
applications comme l’accès au web. En ATM, on parle de UBR.
Les paramètres QoS auxquels dépendent ces types de services définis ci-dessus sont
le MSR (Maximum Sustained Rate équivalent à Peak Data Rate), le MRR (Minimum
Reserved Rate équivalant à Guaranted Data Rate), le maximum latency et le maximum
jitter and priority. Le MRR est associé à différents services et sert de garantie du
débit, alors que le MSR permet pour un service d’obtenir le maximum de débit possible.
Les types de services définis ci-dessus constituent chacun une combinaison de ces
quatre paramètres.
Le MSR comme défini par la norme 802.16, est le débit maximal d’informations pour le
service mesuré en bits par seconde. MRR est le débit minimal réservé pour service
mesuré en bits par seconde.
Un flux de service peut être statique, c'est-à-dire prédéfini par l’opérateur, ou
dynamique et dans ce cas, il peut être créé, modifié ou supprimé avec des messages de
management par la BS ou la SS. Ces messages MAC de management sont le dynamic
service addition (DSA) pour créer un nouveau flux de service dynamique, le dynamic
service change (DSC) pour le modifier et le dynamic service deletion (DSD) pour sa
supression.
La création d’un nouveau flux de service peut être faite soit par la BS ou la SS.
Wimax définit aussi la notion de Grade of Service (GoS). Il s’agit dans ce cas de créer
des groupes d’utilisateurs (Platinum, Gold, Silver, Bronze, …) en se basant sur le contrat
SLA (Service Level Agreement) établi entre chaque utilisateur et l’opérateur, et de leur
offrir des flux de services prédéfinis selon leur priorité (User Priority).
Les principaux features de WIMAX:
24
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
L’OFDM :
La nouvelle méthode de multiplexage OFDM (décrit plus haut) adoptée par Wimax
repose sur une division de l’ensemble du spectre de fréquence en une multitude de
canaux dont les fréquences centrales sont orthogonales. L’OFDM repose sur le principe
de transformée de Fourier rapide et permet ainsi un recouvrement des bandes sans qu’il
y ait interférence. En plus de l’optimisation du spectre de fréquence, un accès TDMA
est adopté dans le but d’augmenter la capacité. Cette même méthode de multiplexage
permettant d’envoyer les symboles simultanément, constitue un moyen efficace pour
lutter contre les phénomènes de multi trajets et de fadings sélectifs. D’où la possibilité
d’avoir une large couverture et une communication en NLOS.
La Modulation adaptative:
Le mode adaptatif permet au système Wimax d’adapter le type de modulation en
fonction des conditions radio. Ainsi, une meilleure qualité radio permet au système de
fonctionner avec la modulation la plus élevée (64QAM) tandis qu’une faible qualité
fonctionne avec la plus petite modulation (BPSK). La qualité du lien radio est mesurée
par le rapport signal à bruit connu sous le non de SNR (Signal to Noise ratio). Plus ce
rapport est grand, plus la qualité du signal est meilleure, et donc la modulation la plus
élevée est appliquée. En plus du haut débit qu’elle apporte, la modulation adaptative
permet aussi de lutter contre les interférences, les fadings et de maintenir un certain
taux d’erreur binaire (bit error ratio BER) pour un SNR donné.
Sub channelization :
La Sub channelization consiste à l’allocation d’un sous ensemble des porteuses OFDM à
un usager. Cette technique est utilisée seulement en uplink pour le 802.16-2004. Les
données d’un même usager sont envoyées sur un petit nombre de porteuses. Ce qui
permet de concentrer la puissance de transmission sur un nombre réduit de porteuses
OFDM et non sur l’ensemble. L’avantage de la technique est d’augmenter le gain du
système et de maintenir un certain équilibre entre les liens montant et descendant lors
des transmissions. L’idée de concentrer la puissance sur quelques porteuses permet de
lutter contre les pertes dues à la pénétration des ondes dans les obstacles et la
minimisation de la consommation énergétique des CPE.
Le schéma ci après montre l’exemple d’une transmission en downlink, d’une transmission
en uplink sans Sub channelization et d’une autre en UL reposant sur la Sub
channelization. La figure permet de remarquer la limitation en portée du signal pour un
CPE qui transmet en UL sur toutes les porteuses OFDM. Contrairement, un CPE qui
25
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
transmet sur le quart du nombre de porteuses et avec la même puissance que la BS sur
chaque porteuse, atteint la même portée que la BS.
Figure 1 : La sub channelization
En résumé, les avantages majeurs de la Sub channelization sont au nombre de trois :
- Concentration de la puissance à transmettre sur juste quelques porteuses, ce qui
permet d’avoir une importante puissance par canal
- Plusieurs utilisateurs peuvent transmettre simultanément sur des groupes de
porteuses différents, donc une augmentation de la capacité du système.
- La portée des signaux augmente car la puissance transmise par chaque porteuse
est assez importante.
Tranceiver Diversity:
Tranceiver Diversity est une technique optionnelle en Wimax très efficace pour réduire
le phénomène de multi trajets et de réflexion des signaux rencontrés en propagation
NLOS. Les algorithmes correspondants sont implémentés aussi bien au niveau des
émetteurs qu’au niveau des récepteurs. Plusieurs techniques sont utilisées pour la
diversité : Adaptative Antenna System (AAS), Space Time Coding (STC), smart
antennas, Maximal Ratio Combining (MRC), Multiple Input Multiple Output (MIMO) etc.
Généralement au niveau des émetteurs, la technique de base utilisée est le STC
permettant de lutter contre les fadings et les interférences. Le récepteur quant à lui,
met généralement en œuvre l’algorithme MRC lui permettant de réduire l’effet de multi
trajets et les fadings.
Pour le STC, plusieurs antennes émettrices sont utilisées au niveau de la station de
base et une antenne de réception au niveau du CPE. Chaque antenne possède sa propre
chaîne OFDM. Les antennes émettent simultanément des symboles différents, ce qui
fait un décalage entre les instants de transmission d’un même symbole en plus du
décalage spatial, d’où le nom de Space Time Coding. A la réception, plusieurs symboles
26
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
peuvent être reçus (d’autres perdus), un décodeur STC permettra de récupérer les
symboles OFDM.
Comme le STC, le MRC met en œuvre plusieurs antennes au niveau récepteur, chaque
antenne possède sa chaîne de traitement isolément. Ceci permet de combiner les
différents aspects du signal reçu dans chaque antenne et de procéder à une
démodulation. Ainsi, les fadings et le phénomène de multi trajets sont minimisés.
Les avantages résultant de l’utilisation des techniques de diversité sont nombreux, en
plus de l’élimination des fadings et du phénomène de multi trajets, nous pouvons en
citer:
- La technique AAS permet la transmission simultanée de plusieurs signaux
superposés avec l’utilisation du technique d’accès Space Division Multiple Access
(SDMA) qui est une technique qui exploite l’aspect directionnel des antennes. La
modulation adaptative adapte la modulation aux conditions du lien radio pour avoir
une meilleure efficacité spectrale pour un rapport SNR donné, l’Adaptative
Antenna System AAS permet au MRC de combiner plusieurs trajets pour obtenir
un meilleur rapport SNR.
- L’utilisation du protocole Automatic repeat request ARQ peut ralentir le
fonctionnement du système puisqu’il y a la retransmission à chaque fois qu’il y a
erreur non corrigées. Le STC permet donc de palier à ce défaut en
retransmettant indépendamment la séquence sans l’appel du protocole ARQ.
- De même, le mécanisme FEC peut ralentir le système pour la correction d’erreurs,
encore la diversité permet de résoudre ce problème d’erreur sans correction ou
retransmission.
Error Control Techniques:
Le Wimax met en œuvre des techniques de contrôle d’erreurs dans le but d’augmenter le
rapport signal à bruit en agissant sur le taux d’erreur BER (Bit Error Rate). Ces
techniques de contrôle d’erreurs reposent principalement sur l’utilisation des
mécanismes FEC et ARQ.
Le FEC (Forward Error Correction) est un mécanisme de détection et de correction
d’erreurs qui s’appuie sur les codages par blocs et les codages convolutionnels.
Le protocole ARQ (Automatic Repeat Request) est utilisé pour la retransmission
automatique des blocs d’informations erronés qui n’ont pas pu être corrigés par le
mécanisme FEC. Ce mécanisme reposant sur la retransmission de blocs est très utilisé
dans beaucoup des systèmes de transmission numériques, et il constitue une solution
très efficace en matière de correction d’erreurs.
27
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Power Control :
Le contrôle de puissance consiste à l’utilisation d’algorithmes par la station de base pour
contrôler la puissance de transmission des CPE. La puissance de réception de la station
de base est fixée à un certain seuil. Lors d’une réception d’un signal de puissance plus
faible que ce seuil, la station de base envoie au CPE correspondant des informations de
contrôle pour l’ajustement de cette puissance. Ce qui signifie que dans un environnement
obstrué, le CPE est appelé à envoyer beaucoup plus de puissance pour atteindre le seuil.
Le contrôle de puissance a aussi comme avantage de réduire la consommation en
puissance du CPE car fonctionnant près du seuil et d’éviter les interférences avec
d’autres stations de base. Généralement, dans les transmissions en ligne de vue (LOS), la
puissance de transmission est proportionnelle à la distance tandis qu’en NLOS, elle
dépend de beaucoup de facteurs : les obstacles, la distance etc.
La puissance du CPE est mesurée comme étant sa puissance totale reçue sur le nombre
de porteuses. Pour un système avec Sub channelization, le nombre de porteuses est le
nombre de porteuses du sous-ensemble de porteuses allouées à ce CPE.
Le principe de contrôle de puissance est aussi utilisé lors de l’initialisation et la
négociation des paramètres du CPE pendant la phase de connexion. Dans ce cas le
principe est simple, le CPE envoie périodiquement une demande d’initialisation à la
station de base en augmentant à chaque fois la puissance d’émission. Lorsque la station
de base reçoit ce message de demande d’initialisation, elle transmet au CPE les
paramètres nécessaires à la transmission (niveau de puissance nécessaire, délai temporel
pour l’émission …). Une fois ces paramètres appris, le CPE continue ses transmissions en
adoptant le niveau de puissance qui lui est imposé par la station de base.
Evolutivité et perspectives du WIMAX :
Depuis la première version de la norme sortie en 2001 (802.16), le Wimax s'est
considérablement développé. En raison de ses carences originelles, notamment le fait de
devoir être à vue pour obtenir des débits maximum, le Wimax a rapidement évolué vers
la norme 802.16a. Par sa version améliorée (802.16-2004), cette dernière se caractérise
par un débit un peu moins important mais sur des distances bien plus grandes. Et
surtout, elle s’affranchit de la nécessité de la ligne de vue (LOS).
La première version commerciale du Wimax permettra aux résidents des zones à
habitats dispersés de bénéficier de l'Internet très haut débit. Pour les entreprises
situées dans ces mêmes zones, l'apport sera aussi considérable, d'autant qu'elles
pourront également reconstituer leurs réseaux locaux (entre plusieurs sites par
exemple) à moindres frais. En terme de services, les perspectives sont nombreuses,
aussi bien pour les fournisseurs d'accès Internet que pour les opérateurs télécoms. Le
28
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
très haut niveau de débit devrait ainsi leur permettre de proposer des offres comme la
téléphonie, la voix et la vidéo sur IP.
Dès l'apparition de la norme, le Wimax sera utilisé dans les domaines suivants :
- Dans les bandes avec licence, où il est permis d'utiliser des puissances élevées, il
sera possible de constituer des réseaux d'interconnexion sans fil, par exemple pour
raccorder des points d'accès publics ou des habitations individuelles ou collectives. La
desserte intérieure de l'habitation pourrait utiliser quant à elle du Wimax dans les
bandes sans licence.
- Dans les bandes sans licence, Wimax pourrait à terme remplacer WiFi pour les
réseaux locaux sans fil (desserte intérieure d'un immeuble…) ou dans les hot spots. Il
apporterait les avantages cités plus haut. Mais le plus probable est que les futurs
réseaux autorisent un fonctionnement au choix (Wimax / WiFi) au mieux des conditions
locales.
La norme 802.16e, qui sera validée durant la fin 2005, constituera quant à elle une vraie
révolution. Elle permettra d'utiliser le Wimax en situation de mobilité. Les composants
permettant de se connecter au réseau seront alors directement intégrés dans les PC
portables. La vitesse de déplacement pourra excéder les 100 km/h mais l'immense
avantage offert par cette norme sera le maintien des sessions lors d'un changement de
station de base, les fameux handover et itinérance. Par ailleurs, cette nouvelle
technologie sera également capable de capter le meilleur signal de standard 802, c'està-dire de choisir entre le WiFi et le Wimax.
802.16
802.16-2004
802.16 e
Bande de fréquence
10-66 GHz
2-11 GHz
< 6 GHz
LOS/NLOS
LOS
NLOS
NLOS
Débit
Jusqu’à 132Mbps
(28MHz)
Jusqu’à 75Mbps
(20MHz)
Jusqu’à 15Mbps
(5MHz)
Modulation
Simple Carrier
BPSK, QPSK,
16QAM
64QAM
OFDM (256 sub
carriers)
BPSK,
QPSK, 16QAM
64QAM
Scalable OFDM
BPSK, QPSK,
16QAM
64QAM
Largeur de bande
20, 25 et 28 MHz
1.75 – 20 MHz
1.25 – 20MHz
mobilité
Non
Mobilité réduite
Mobilité pour les
données (120km/h)
Disponibilité
Décembre 2001
Juillet 2004
Courant 2005
Tableau 1 : Une évolution rapide des performances
29
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
L’IEEE 802.20 ou Mobile Broadband Wireless Access (MBWA), norme destinée à
intégrer la mobilité et l’itinérance entre les stations de base constitue une réelle
menace pour les normes 3G. Cette norme a été publiée en fin 2003. Il permet une mise
en œuvre à un prix relativement modéré (comme les réseaux sans signalisation de type
Wi-Fi) tout en permettant une qualité de service et une optimisation que l’on retrouve
habituellement dans les réseaux avec signalisation (tels que l’UMTS). Cette technologie
utilise des fréquences inférieures à 3,5 GHz avec une cellule d’un rayon de 2,5 Km et
peut offrir 1 MBits/s par utilisateur. La 802.20 permet également de mettre en place
des réseaux de mobiles pouvant se déplacer jusqu’à 250 Km/h. Son efficacité
(Bits/s/Hz/cellule) est plus du double des systèmes 3G tout en étant sur une logique
totalement IP.
Une autre norme, l’IEEE802.22 destinée pour le WRAN (Wireless Regional Area
Network) est actuellement en cours d’étude. Elle sera destinée aux zones géographiques
de faibles densités (1.25person/km2) et plus. Cette norme travaillera dans la bande des
fréquences TV (6, 7 et 8MHz; ces fréquences sont sans licence) pour une portée typique
de 33Km (jusqu’à 100Km de distance). Ses performances sont similaires à celles de
l’ADSL et du câble modem. Comme le Wimax, elle s’affranchit aussi de la visibilité
directe et supporte plusieurs services (VoIP, Vidéo sur IP, Accès Internet haut débit et
transmission de données). Elle est plus adaptée à la TV broadcast pour desservir les
zones éloignées et dépourvues de connexions filaires.
Couverture optimale, très haut débit, coûts réduits, palette de services plus large…
Wimax possède tous les atouts pour s'imposer. Et aussi pour concurrencer l'UMTS, la
téléphonie mobile de troisième génération, qui propose des applications similaires. Intel,
l'un des deux acteurs historiques du projet, ne croit pourtant pas à une cannibalisation
de l'UMTS par le WiMax. Selon le géant du microprocesseur, le Wimax est
principalement destiné à l'échange de données à la maison ou au bureau. La 3G est
destinée de son côté à un usage mobile à partir d'un combiné. On peut imaginer que
Wimax soit utilisé en mobilité, mais dans un premier temps, son usage sera sédentaire
grâce à la grande couverture des antennes. Intel mise donc sur la complémentarité des
deux technologies.
Enfin, les futurs développements du Wimax, notamment une interface radio très
performante, pourraient accélérer la convergence des réseaux de téléphones fixes et
portables. En se reposant sur un réseau constitué à la fois de stations radios 3G et
Wimax, les opérateurs pourraient ainsi proposer des services large bande à faibles
coûts.
30
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Exemple pratique de réalisation
Zone de Fresnel
Visibilité
BS Wimax
CPE Wimax
Zone de Fresnel
Le Wimax assure à la fois la couverture Indoor et la couverture Outdoor.
-
-
-
En NLOS, la portée est réduite et le niveau du signal diminue considérablement en
fonction de la distance et de la topologie du milieu. Ce mode de propagation est
généralement rencontré dans les grandes villes.
En Near LOS, la BS et la SS sont en visibilité directe mais la zone de Fresnel
n’est pas totalement dégagée. Donc dans ce deuxième cas, on obtient des portées
plus longues que celles du NLOS. Un tel mode de propagation est rencontré dans
les petites villes.
Le troisième cas est le LOS où on a une parfaite visibilité entre l’entité émettrice
et l’entité réceptrice. La portée réelle maximale est obtenue dans ces conditions
de propagation.
31
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Zone de Fresnel
Visibilité
BS Wimax
CPE Wimax
Zone de Fresnel
La taille des cellules en Wimax dépend de ces trois conditions de propagation.
Théoriquement, la portée maximale du système en LOS est de 70Km, mais en pratique,
cette portée devrait atteindre 20Km. Le tableau suivant donne une idée sur la taille
moyenne des cellules pour la solution d’Alcatel (Alcatel 7387):
Environment
Range
Environment
Range
Rural
7.39Km
Rural
13.1Km
Subrural
3.37Km
Subrural
8.35Km
Urban
2.43Km
Urban
4.47Km
Dense Urban
1.61Km
Tableau 2 : NLOS
Tableau 3 : Near LOS
Suivant les conditions de propagation impliquent l’utilisation de cellules de différentes
tailles.
Zone urbaine
Zone périphérique
32
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Pratiquement, les cellules de petites tailles pourront avoir une taille de 0.75Km environ à
cause du NLOS, et les grandes cellules une taille d’environ 1.5 Km. Le fait d’utiliser des
cellules de petite taille en milieu urbain dense est du principalement au modèle de
propagation, mais ceci constitue un avantage sur la capacité (la densité des abonnés est
élevée en milieu urbain).
En raisonnant en terme de couverture, si on suppose que la zone urbaine dense couvre
une superficie de 10km2 et celle des périphériques une surface de 20Km2.
Alors en utilisant des micro-cellules de 0.75km (couverture de 1.77Km2), il faudra 6 BS
pour couvrir la zone urbaine dense.
En milieu rural, avec l’utilisation des macro-cellules de 1.5Km (couverture de 7.065Km2),
il faudra 3 BS pour couvrir toute la zone. Donc en somme, 9 BS suffiront pour couvrir
toute une ville de 30 Km2.
Zone
Couverture
Urbaine dense
10Km2
Sub urbaine
20Km2
Objectifs
Zone
Rayon de
cellule
Couverture
par site
Nombre
de sites
Surface totale
couverte
Urbaine
dense
0.75Km
1.77Km2
6
10.62Km2
Sub
urbaine
1.5Km
7.065Km2
3
21.195Km2
Résultats
Dimensionnement des ressources
hauteur des antennes (BS et CPE),
les puissances d’émission (BS et SS),
la fréquence,
les gains des antennes et donc plus généralement bilan de liaison globale tout en tenant
compte des objectifs de couverture.
Vu l’allocation des bandes avec ou sans licence par zone géographique, la fréquence
d’opération du système sera de 3.5 GHz. la largeur de bande la plus convenable pour un
système à 14 MHz de spectre est 3.5 MHz, deux bandes en UL et deux autres en DL.
33
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Les deux bandes UL et DL seront séparées de 100 MHz comme selon la règle. Le
système fonctionnera en FDD (c’est le cas le plus utilisé, et compte tenu des cellules qui
seront considérées comme à quatre secteurs, les antennes de la BS auront une
ouverture de 90º et donc quatre antennes seront utilisées par BS.
En supposant que le modèle du terrain est dérivé de COST231-Hata (modèle idéal pour
la propagation en NLOS), la hauteur des antennes BS devrait être égale à la hauteur
moyenne des toits. Et celle des CPE doivent doit être en moyenne la même chose pour
considérer la condition du NLOS.
BS
parameters
RF power
delivered to
each antenna
28dBm
Antenna gain
16dBi
Total EIRP
BS
44dBm
Receiver NF
4dBm
CPE
parameters
34
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
RF power
20dBm
Antenna gain
18dBi
Total EIRP
CPE
38dBm
Receiver NF
5dB
UL
QPSK1/2
QPSK3/4
16QAM1/3
16QAM3/
4
64QAM2/
3
64QAM3/
4
UL
receiver
sensibility
-98.4
-95.4
-93.4
-89.4
-84.4
-83.4
UL
gain
system
152.4
149.4
147.4
143.4
138.4
137.4
DL
receiver
sensibility
-97.4
-95.4
-92.4
-88.4
-83.4
-82.4
DL
gain
159.4
156.4
154.4
150.4
145.4
144.4
152.4
149.4
147.4
143.4
138.4
137.4
DL
system
Link budget
system gain
Bilan de liaison
La sectorisation :
Cette technique est utilisée pour diviser une cellule Wimax en plusieurs zones et
d’utiliser des bandes de fréquence spécifiques pour chaque zone. En Wimax, le nombre
de secteurs dans un site peut aller jusqu’à six (6). Dans chaque secteur, un ou plusieurs
channels peuvent être utilisés. Ceci permet de gagner en capacité.
La réutilisation des fréquences (‘’frequency reuse’’) :
La notion de ‘’frequency reuse’’ définit la réutilisation des ressources fréquentielles afin
d’optimiser l’utilisation spectrale et d’éviter les interférences.
Cette réutilisation est quantifiée (x1, x3, x4, x6…) et plus elle augmente, plus le rapport
signal sur bruit (SINR) diminue. Le meilleur cas est alors d’utiliser une ‘’frequency
reuse’’ de x1.
Polarisation :
Lorsque deux cellules voisines utilisent la même fréquence, les interférences seront
inévitables. La polarisation permet de résoudre ce problème, elle consiste à adopter une
polarisation différente des ondes radio sur chaque cellule (par exemple horizontale et
verticale).
35
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Figure 2 : Sectorisation et frequency reuse
Si on dispose de 14 MHz de spectre, 7 MHz en DL et 7 MHz en UL, si on considère une
largeur de bande de 3.5 MHz, alors en mode FDD, deux bandes seront disponibles en UL
et deux autres en DL. On pourra alors utiliser une ‘’frequency reuse’’ de x2 avec des
cellules à 4 secteurs.
Le plan de fréquences correspondant est donné sur la figure ci-dessous.
100MHz
UL
DL
f1
3.5MHz
f1
f2
f2
3.5GHz
Plan de fréquences
f1UL et f1DL
f2UL et f2DL
Frequency reuse et sectorisation
La technique d’accès étant l’OFDM 256 FFT, ce qui signifie que dans chaque bande
(3.5MHz), le nombre de porteuses sera de 256 dont 192 pour les données, 8 porteuses
pilotes et 56 porteuses nulles., on pourra allouer à chaque utilisateur un groupe de
porteuses en uplink. Pour le backhaul (BS-BS), un groupe de porteuses pourra être
réservé à cet effet.
36
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
Le graphe ci après montre les performances (débits) pour différentes planifications.
Ainsi notre choix (4 canaux x 4 secteurs) donne un débit de 11,59mbps par secteur pour
une largeur de bande de 3.5 MHz ; soit 46,36 mbps (UL ou DL) par BS ou 92.72mbps
(UL+DL).
~35m
Wimax 802.16a
~35m
BS Wimax site A
100m
CPE (Indoor) site B
BTS GSM
CPE site B
~35m
BS Wimax
Wimax 802.16-2004
Wimax 802.16-2004
Mini link FH 34Mbps
CPE
~25m
40m Mini link FH 34Mbps
Site C
BTS GSM
~35m
IP Core Network
~100m
Site A
siteAA
37
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
BIBLIOGRAPHIE
Wimax Forum: www.wimaxforum.org
- Regulatory position and goals of the Wimax Forum
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/
WiMAX_Forum_Regulatory_Whitepaper_v06162004.pdf
- WIMAX’s technology for LOS and NLOS environments
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf
- Business Case Models for Fixed Broadband Wireless Access based on WIMAX
Technology and 802.16 Standard
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAX-The_Business_Case-Rev3.pdf
- IEEE 802.16a Standard and WIMAX Igniting Broadband Wireless Access (White
paper)
http://www.wimaxforum.org/news/downloads/WiMAXWhitepaper.pdf
Wimax Pro: www.wimaxpro.com
Enabling Deployments through Standards and Certification
http://www.wimaxpro.com/WhitePapers4.asp
IEEE: www.ieee.org
- 802.16/ Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems
(802.16-2004)
http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.16-2004.pdf
Intel: www.intel.com
- IEEE 802.16 and WIMAX
http://www.intel.com/business/bss/ infrastructure/wireless/80216_wimax.pdf
- Understanding
(Technical
Overview)
WIMAX
and
3G
for
Portable/Mobile
Broadband
Wireless
http://www.intel.com/netcomms/ technologies/downloads/305150.pdf
- Deploying Licence-Exempt WIMAX Solutions
http://www.intel.com/netcomms/technologies/wimax/306013.pdf
- Adaptative Modulation (QPSK, QAM)
- Intel Technology Journal
http://www.intel.com/technology/itj/2004/volume08issue03/art01_globalwirelessnet/
38
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
- Orthogonal Frequency Division Multiplexing
- Understanding Wi-Fi and WIMAX as Metro-Access Solutions
Autres:
- IEEE 802.16e Standard
http://www.srtelecom.com/imports/pdf/ en/white-paper/16e-Standard-Jan2005.pdf
- IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee 802.22 WG on WRANs
http://www.ieee802.org/22/
- Backgrounder on IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network WG
- En attendant WIMAX…
http://www.01net.com/Pdf/DIN200503210627008.pdf
39
3G: Third Generation of Mobile
-------ADSL: Asymmetric Digital Subscriber
Line
ASP: Application Services provider
AMC: Adaptive Modulation and coding
ARQ: Automatic Reapet reQuest
AES : Advanced Encryption Standard
-------BS: Wimax Base Station
BW : BandWidth
BPSK : Binary Phase Shift Keying
BE : Best Effort Service
------CS : Convergence Sublayer
CPE: Wimax common Premises
Equipment
CPS : Common Part Sublayer
------DL: Downlink
DSL: Digital Subscriber Line
DES : Data Encryption Standard
DHCP : Domain Host Configuration
Protocol
-------FEC: forward Error Correction
FDD: Frequency Division Duplex
FCAPS : Fault, Configuration,
Accounting, Performance and Security
fonctions
FFT : Fast Fourier Transform
-------GHz: Giga hertz
GSM : Global System for Mobile
communications
GoS : Grad of Service
----------IEEE : Instituts of Electrical and
Electronics Engineers
ISM: Industrial, Scientific and Medical
band
ISP: Internet Services Provider
-------Km/h: Kilo meter per hour
Km: Kilometer
-------LOS: Line Of Sight
-------MAC : Medium (or Media) Access
Control
MAQ : Modulation d’Amplitude en
Quadrature
Mbps: Megabits per second
MIB : Management Information Base
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
-------NAP: Network Access Provider
NLOS: Non Line Of Sight
NMS : Network Management System
nrtPS : non real time Polling Service
NSP: Network Services Provider
-------OFDMA : Orthogonal Frequency Division
Multiple Access
OFDM : Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
-------PHY : Physical Layer
PKM : Privacy Key Management
PSK : Phase Shift Keying
-------QoS : Quality of Service
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
QPSK : Quadrature Phase Shift Keying
-------RLC : radio Link Control
rtPS : real time Polling Service
Rx : Received Power
-------SCa : Single Carier modulation
SNMP : Sigle Network Management Protocol
SOHO: Small Office, Home Office
ST: Wimax Subscriber Terminal
SS: Wimax Subscriber Station
-------TDD: Time Division Duplex
TDMA : Time Division Multiple Access
TFTP : Trivial file Transfer Protocol
Tx : Transmission Power
-------UE: Wimax User Equipment
UGS : Unsollicited Grant Service
UL: Uplink
UMTS : Universal Mobile Telecommunications
System
UNII:Unlicensed National Infrastructure
band
-------VLAN : virtual Local Area Network
-------Network
WIMAX: Worlwide Interoperability for
Microwaves Access
WiFi : Wireless Fidelity
WirelessMAN: WMAN
WLAN: Wireless Local Area Network
WMAN: Wireless Metropolitan Area
40
GSM-GPRS-UMTS-WIMAX
41

wimax - High-Tech

Transcription

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