Transmission de données sur voie radio

Transmission de données sur voie radio
Type d’article
Description technique générale
Destinataires potentiels
Ingénieurs
Auteur
ETELM
9, avenue des deux lacs
PA VILLEJUST
91971 Courtaboeuf Cedex
Tel : (+33) 1 69 31 79 00
Site : www.etelm.fr
TRANSMISSION DE DONNEES SUR VOIE RADIO
INTRODUCTION
Les techniques de transmission de données sont très diverses ; elles sont essentiellement sensibles
au débit du canal servant de support à la transmission : plus ce canal est restreint, plus il faut
optimiser – à l’inverse, plus le débit du canal est élevé et moins l’on recherche l’optimisation. Les
canaux de transmission sur voie radio à bande étroite n’offrent que de très faibles débits et l’on se
doit de rechercher des optimisations sur les cinq plans suivants : la charge utile, le protocole
d’échange, l’adressage, l’encodage et la gestion du trafic.
Ces optimisations sont particulièrement efficaces dans deux modes d’échange très prisés : la
transmission en’ multislot’ et le ‘fast polling’ ; elles peuvent conduire à des gains extrêmement
importants en terme de capacité de transmission d’un réseau et donc facteur de réduction des coûts
et de l’occupation spectrale.
OPTIMISATION DE LA CHARGE UTILE
S’il est un combat perdu d’avance, c’est bien celui mené depuis longtemps par les transmetteurs
contre les informaticiens: les transmetteurs demandent aux informaticiens de réduire la charge utile
aux seules données réellement utiles et les informaticiens désirent utiliser des ‘packages’ standards
et génériques. L’abime entre ces deux mondes est énorme lorsque l’on considère que pour écrire
‘papa’ avec un fichier word, il faut 12.000 octets alors que 4 octets pourraient suffire !.
La seule issue consiste à utiliser quasi systématiquement des compresseurs de données entre la
partie applicative et la partie transmission : cette solution satisfait les informaticiens mais reste
insuffisante pour réduire la charge. En réalité, il faudrait utiliser trois types de compresseurs :



Les compresseurs de données traditionnels de type Von Jacobson : ces compresseurs
analysent la partie utile d’un message et en réduisent la taille ; ces compresseurs (ZIP,..) sont
largement et facilement utilisés
Les compresseurs d’entête (en particulier les compresseurs d’entête IP) ; ces compresseurs
sont beaucoup plus rares. Leur utilité est d’autant plus grande que la taille des messages est
restreinte
Les compresseurs de contexte qui analysent les données communes à tous les messages
issus d’une même source .Une fois ce ‘PPCM’ repéré, la partie émettrice le transmet à la
partie réceptrice comme devant être ajouté lors de la restitution de chaque message et ce
tronc commun n’est plus transmis sur le canal.
.. à ces trois types de compression, l’on pourrait en adjoindre un quatrième qui opérerait en repérant
la partie commune de tous les messages issus d’une même flotte de mobiles ; en réalité, ce travail
est, en général, assuré en amont au niveau système, lors de sa conception.
OPTIMISATION DES PROTOCOLES
L’optimisation des protocoles est très différente selon le mode de transmission retenu. Les trois
modes principaux étant le mode circuit, le mode SDS et le mode paquet. Le tableau suivant résume
certaines caractéristiques liées à ces trois modes :
MODE
fonctionnement
Demande d’allocation de
ressource
MODE CIRCUIT
Etablissement d’un circuit
Echange en transparence
Protocole dédié à l’application
conséquences
Temps d’établissement
indépendant de la taille des
messages
Possibilité de refus d’allocation en
cas de saturation du réseau
L’application doit gérer le
protocole et l’encodage
Dans la plupart des cas, protocole
half duplex très peu performant
Peu efficace et mal adapté aux échanges courts
sans cession
permanente
ouverte
MODE IP
PACKET
Avec cession
permanente
Demande d’allocation de
ressource
Etablissement d’un circuit
Protocole advanced link
Cession partagée
Mobile en cession permanente
Protocole advanced link
temps d’établissement
indépendant de la taille des
messages
Possibilité de refus d’allocation en
cas de saturation du réseau
Protocole duplex très performant
Eventuelle attente de libération
des autres mobiles sur la même
cession
Difficulté d’établissement d’autres
modes (communications phonie,
SDS,..)
Protocole duplex très performant
Très efficace pour les échanges longs
MODE SDS
Transmission directe sur canal de
signalisation
Attente de transmission fonction
de la charge des canaux de
signalisation commun
Transmission ‘quantifiée’
Protocole ‘basic link’
Pas d’allocation de ressource
Probabilité de transmission très
élevée mais avec possibilité de
délai
Longueurs de messages
quantifiées
Protocole efficace si les
équipements d’extrémité sont
suffisamment réactifs
Très efficace pour les échanges courts
On peut comparer ces différents modes en estimant le temps de transmission en fonction de la
longueur d’un message à transmettre :
Temps de transmission
Mode circuit
Mode IP packet
Durée moyenne
établissement du circuit
SDS
Taille du message
Longueur max.(2 Kbit pourTETRA)
Les protocoles d’échange ont une importance primordiale et, dans de nombreux cas, un bon
protocole sur un canal de débit limité offre de meilleurs résultats qu’un mauvais protocole sur un
canal de débit beaucoup plus important.
On peut distinguer deux types de protocoles :

Les protocoles semi duplex : les échanges sont réglés à l’alterna, tant pour les messages que
pour les acquits
BS
Timer de relance
interface air
MS
Elimination du
doublon par les
couches supérieures
Ces protocoles sont très traditionnels et relativement peu efficaces ; ce sont ces protocoles qui sont
la plupart du temps utilisés en mode circuit, ce qui rend ce dernier mode peu performant. Ces
protocoles sont également utilisés pour les SDS.

Les protocoles duplex (type advanced link) : un message est fractionné en tranches et les
tranches sont émises et, éventuellement répétées, de manière asynchrone par rapport au
flux des acquits
BS
1
2
3
4
5
interface air
MS
6
1
2
3
4+?
5
Ack 1,2,4
6
3+ ?
1
Ack 1,2,3,4,5,6
2
3
4
5
6
Message reconstitué
Ces protocoles sont extrêmement efficaces pour des messages assez longs, ils sont utilisés pour la
transmission en mode IP packet.
Dans les exemples précédents, la transmission est ‘descendante’, c’est-à-dire qu’elle concerne des
messages devant être transmis de l’infrastructure vers un mobile.
Dans le sens ‘montant’, il convient de discerner deux cas distincts :


Le message à transmettre est initié par le mobile
Le message à transmettre est une réponse à une sollicitation des équipements
d’infrastructure
Le souci concerne les possibilités de ‘collisions’ qui existent si plusieurs mobiles émettent
simultanément des messages ; dans la plupart des cas, tous les messages en collision sont perdus.
Néanmoins, il existe des cas pour lesquels on arrive à ‘rattraper’ certaines collisions :


Lorsqu’un mobile est beaucoup plus près de sa station de base que les autres mobiles : dans
ce cas, le signal émis par ce mobile masque les autres signaux et est décodable
Lorsque la station de base est équipée de diversité et que, sur l’une des voies de diversité, le
signal émis par un mobile masque les autres ( à condition que la station de base sache
discriminer des messages distincts sur les différentes voies diversité – caractéristique assez
rare !)
En dehors de ces cas particuliers, il convient avant tout de restreindre les probabilités de collision.
Ceci est réalisé en distinguant des moments où le trafic montant est protégé, c’est-à-dire réservé au
trafic sollicité (la station de base transmettant une requête à un mobile, lui assigne à lui et à lui seul
un intervalle de temps pour sa réponse), des moments où les mobiles peuvent transmettre des
messages non sollicités – temps que l’on appelle ‘opportunités’.
Coté mobile, on restreint le trafic montant non sollicité par la technique de ‘changement de main’ :
au cas où le mobile désire transmettre spontanément un message assez long à l’infrastructure, il
transmet une brève requête dans une opportunité (requête pouvant comporter le début du
message) indiquant la taille du message qu’il désire transmettre ; la station de base lui assigne (et à
lui seul), des intervalles de temps pour transmettre ce message (le message devient donc sollicité).
BS
interface air
MS
opportunité
requête
Allocation(s
)
Canal préservé
La gestion des opportunités est assurée par la station de base ; elle est très délicate et de nombreux
raffinements peuvent y être introduit, qui permettent d’optimiser le fonctionnement global d’un
réseau pour les messages non sollicités, à partir des principes de base suivants :


Moduler le taux d’opportunités en fonction de la charge non sollicitée constatée
Introduire un temps maximal entre opportunités successives afin que les mobiles puissent
transmettre leurs messages non sollicités dans un temps raisonnable



Moduler les paramètres de gestion des opportunités par les mobiles (paramètres diffusés par
la station de base) en fonction du trafic non sollicité observé
Restreindre les opportunités à certaines classes de mobiles, selon les conditions de charge et
de priorités
….
Enfin, lorsqu’une requête est transmise depuis la station de base vers un mobile particulier, cette
station de base doit allouer un intervalle de temps pour la réponse (et/ou l’acquit) compatible avec
les possibilités du mobile – dans le cas où le mobile n’est pas assez réactif, il faut décaler cet
intervalle de temps pour permettre au mobile d’émettre dans de bonnes conditions (granting delay).
Afin d’optimiser le trafic global, on utilise parfois une caractéristique très intéressante qui permet,
dans un mobile, d’associer tout ou partie d’un message non sollicité en attente d’opportunité, avec
un acquit sollicité.
BS
interface air
MS
Message non sollicité
message
Acquit + message
spontané
Attente d’opportunité
Canal préservé
OPTIMISATION DE l’ADRESSAGE
Toutes les transactions circulant sur l’interface air comportent au minimum l’adresse de l’expéditeur
et l’adresse du destinataire. Dans le cas général, ces adresses peuvent être assez longues, ce qui
réduit la taille disponible pour la charge utile.
Plusieurs techniques sont utilisables pour réduire ces champs :
Adresse réduite dans un réseau et/ou dans une flotte
L’adresse générale comporte les indicatifs de nationalité et de réseau (MCC et MNC) qu’il est inutile
de transmettre pour les échanges au sein d’un même réseau ou d’un même sous réseau. Ces
indications sont donc souvent omises – en contrepartie, il faut introduire des mécanismes spéciaux
pour les mobiles ‘visiteurs’ – ces dernier sont des mobiles normalement rattachés à un autre réseau
et qui sont admis temporairement. Comme il pourrait y avoir confusion si les seules adresses
réduites étaient utilisées, des adresses réduites temporaires sont assignées aux visiteurs lors de leur
inscription.
Adresse abrégée
De nombreux systèmes offre la possibilité d’utiliser un nombre réduit d’adresses très courtes
disponibles sur le réseau. Cette possibilité présente peu d’intérêt pour les terminaux audio dans la
mesure où, aujourd’hui, tous les terminaux disposent de leurs propres adresses abrégées sous forme
d’une table locale de correspondance entre un numéro abrégé saisi par l’utilisateur et le numéro réel
transmis avec la transaction.
En revanche, cette possibilité est très intéressante pour les serveurs centraux de transmission de
données ; en effet, la quasi-totalité des échanges de données sur un réseau radio s’effectue entre
des mobiles et un ou plusieurs serveurs centraux (et non entre mobiles).
Adressage par évènement
Lorsqu’un serveur de données établi des échanges avec un mobile, la première transaction comporte
toutes les adresses nécessaires auxquelles on ajoute un numéro de transaction. Le mobile répond en
signalant simplement le numéro de transaction auquel il se réfère.
OPTIMISATION DE L’ENCODAGE
L’utilisateur d’un système de transmission n’a, en général, pas la possibilité de choisir son type
d’encodage en fonction de ses propres contraintes (probabilité de transmission versus charge utile)
et doit se contenter de choisir quelques paramètres dont le niveau d’entrelacement (capacité de
tolérance d’erreur groupées versus temps de transmission).
Dans bien des cas, l’utilisateur introduit donc son propre surcodage qui est utilisé de bout en bout.
Cette solution augmente la ‘sureté’ des données transmises au détriment non seulement de la
charge utile mais aussi du rendement protocolaire : si un message reçu n’est pas conforme aux règles
du surcodage, les répétitions seront initiées de bout en bout avec toutes les conséquences néfastes
que cela entraine tant du point de vue de l’occupation du canal que du temps de transmission. Si le
surcodage avait été intégré dans les couches de transmission, l’efficacité en aurait été nettement
augmentée.
En conclusion, mieux vaut utiliser au maximum tous les paramètres d’encodage proposés par le
système plutôt que d’introduire un surcodage.
OPTIMISATION DU TRAFIC
Cette optimisation est fondamentale ; elle est réalisée à plusieurs niveaux :
Répartition du trafic sur plusieurs sites
Chaque site dispose d’une capacité de trafic déterminée par son niveau d’équipement. En général, il
y a de vastes zones de recouvrement de couverture radio entre les sites et les mobiles ont souvent
plusieurs choix d’inscription. Cette caractéristique permet d’équilibrer le trafic entre les différents
sites : chaque site diffuse en permanence une indication de son niveau de charge (en pourcentage
par rapport à sa capacité installée) et les mobiles doivent utiliser cette information pour éviter de
s’inscrire sur des sites surchargés – malheureusement certains mobiles ne tiennent pas compte de
cette information.
Roaming et handover
Ce mécanisme est identique au mécanisme précédent : un mobile désirant changer de cellule doit
s’assurer que la cellule d’arrivée choisie n’est pas saturée.
Allocation dynamique de fréquence radio
Le réseau dispose d’une fréquence supplémentaire qu’il peut affecter à tout moment à l’un de ses
sites (ou à plusieurs de ses sites qui ne soient pas interférant). Lorsqu’un site arrive proche de la
saturation, ce canal est automatiquement affecté à ce site.
Cette possibilité est rarement utilisée car elle suppose que tous les sites disposent d’un équipement
supplémentaire (avec les implications de coûts que cela comporte) et que l’autorité de régulation
accepte d’attribuer une fréquence sans savoir exactement quand et où elle va être utilisée.
Allocation de canaux de signalisation sur un même site
Les trafics de transmission de données se font sur des canaux alloués pour le mode circuit et le mode
paquet et sur des canaux de signalisation communs pour les SDS. En cas de fort trafic de SDS, on peut
ouvrir plusieurs canaux de signalisation commune. Cette gestion est réalisée par l’infrastructure
selon diverses méthodes qui ont chacune des avantages et des inconvénients ; le choix de la
méthode d’allocation de ces canaux (SCCH) ne doit pas être réalisé au hasard et doit prendre en
compte les caractéristiques des trafics attendus.
Régulation de trafic
La régulation globale de trafic reste très délicate car la répartition du trafic sur les différents sites
reste très mouvante malgré les dispositions précédemment énoncées. En effet, à tout moment, un
site peut avoir une pointe de trafic tandis que ses voisins sont sous utilisés. Ce site dispose d’un
‘buffer’ tampon pour éviter la congestion à court terme mais ne dispose pas de mécanisme de
régulation global pour éviter la saturation de ce buffer. Un tel mécanisme pourrait s’imaginer par des
échanges entre serveur de données et chacun des sites composant le réseau – ceci serait contraire
au principe selon lequel un réseau doit offrir des services sans que les serveurs n’aient à gérer la
localisation de chaque mobile.
Dans le cas de réseaux ‘centralisés’, on peut néanmoins offrir un mécanisme de régulation global aux
différents serveurs de données en leur diffusant une indication de charge globale du réseau
(pondération de la charge de chacun des sites et/ou indication de la charge du site le plus sollicité)
qui leurs permette d’accélérer ou de ralentir leurs trafics.
TECHNOLOGIE MULTISLOT
Avec les technologies TDMA, il est parfois possible d’associer plusieurs slots pour multiplier le débit
entre un site radio et un ou plusieurs mobiles (la capacité globale de trafic du site restant inchangée).
A priori, cette caractéristique présente un grand intérêt ; néanmoins, on se doit d’apporter une
extrême attention dans l’utilisation de cette méthode qui comporte des risques importants ; au
départ, il convient de comprendre les mécanismes ‘intimes’ de ce procédé pour en appréhender les
limites.
Multislot et duplex
L’utilisation du multislot et celle du duplex sont souvent incompatibles ; cette incompatibilité n’est
pas la même selon que le mobile dispose de la caractéristique ‘fast switching’ ou non :
Un mobile ‘fast switching’ est capable de passer du mode émission au mode réception et
réciproquement d’un time slot au time slot suivant – tandis qu’un mobile ‘normal’ a besoin d’un time
slot complet pour réaliser ces basculements. Les schémas suivant permettent de comprendre toutes
les limitations selon les cas de figure.
Malheureusement, il n’existe pas de mobile ‘fast switching’ sur le marché actuel
RECEPTION
EMISSION
1 SLOT – mobile standart ou fast switching – mode pseudo duplex
2 SLOTS – MOBILE FAST SWITCHING – mode pseudo duplex
2 SLOTS – MOBILE STANDARD
3 SLOTS – MOBILE FAST SWITCHING
3 SLOTS - MOBILE STANDARD
4 SLOTS – MOBILE FAST SWITCHING
4 SLOTS – MOBILE STANDARD
L’utilisation du mode 4 slots présente une autre limitation: en cas de longue transmission dans le
sens ‘uplink’ (mobile vers station de base), le terminal radio n’est plus à l’écoute de la station de base
et ne peut plus se ‘caler’ sur les rythmes imposés par cette station; il reste donc sensible à la moindre
dérive d’horloge et, dans la plupart des cas, il perd très rapidement sa synchronisation. En
conséquence la (longue) transmission mobile vers infra est rapidement interrompue.
Multislot et protocoles
Le mode multislot ne travaille qu’avec des canaux alloués (donc non applicable aux SDS) et, en
pratique, seulement utilisable en mode IP packet. Dans cette configuration, le protocole de base est
‘advanced link’ sans que l’on puisse exploiter, dans la plupart des cas l’avantage du caractère duplex
de ce protocole.
Multislot mobilité et autres services
Au départ, l’utilisation du mode IP packet est difficilement conciliable avec les autres fonctions
offertes par un réseau radio (roaming, handover, SDS, communication..) et, pour réaliser
prioritairement l’une de ces fonctions, on se doit de rompre préalablement la cession IP packet en
cours. Ces limitations se trouvent encore renforcées avec le multislot car le mobile a plus de mal à
retrouver un canal de signalisation commun.
LE FAST POLLING
Le ‘fast polling’ consiste en l’interrogation cyclique, par un serveur central, de tous les mobiles d’une
flotte pour des données courtes de type état et/ou localisation et ce, de manière la plus rapide
possible. Les échanges sont réalisés avec des messages SDS transmis sur des canaux de signalisation
commune.
Toutes les optimisations précédemment exposées se doivent d’être utilisées pour atteindre
l’objectif :
-
-
Optimisation de la charge utile : dans le cas d’une application de géolocalisation, les données
de localisation se doivent d’être réduites au minimum ; il faut éviter de transmettre des
messages standard de type NMEA qui contiennent des données absolument inutiles pour
l’application ; au contraire, on veillera à compresser au maximum ces données : ainsi, dans le
cas de la géolocalisation d’une flotte de mobiles évoluant dans une zone restreinte (type bus
de transport), on évite de transmettre l’hémisphère dans lequel se trouve chaque mobile –
d’une manière plus générale, on ne transmet qu’une position relative par rapport à un point
donné, en général au centre ou au coin inférieur gauche de la carte de localisation
Optimisation des protocoles : on utilise le mode ‘basic link’ avec décalage des allocations de
temps des réponses attendues pour laisser au mobile le temps d’évaluer sa position - une
variante consiste à utiliser une mémoire tampon dans le mobile, qui contient la dernière
localisation connue du mobile ; cette mémoire est mise à jour de manière asynchrone par
-
-
l’équipement de localisation et utilisée pour les réponses immédiates aux requêtes du
serveur.
Optimisation de l’adressage : le serveur central se doit d’être muni d’une adresse abrégée
(l’adressage par évènement n’étant pas optimal dans le cas d’un polling simple).
Optimisation de l’encodage : on évite tout surcodage et l’on se doit de ne pas utiliser
d’entrelacement au-delà de la longueur d’un message simple.
Optimisation du trafic : l’utilisation de canaux de signalisation secondaire est impérative dès
que la flotte de mobiles est importante ; l’allocation de ces canaux est préférentiellement
réalisée en fonction du trafic observé plutôt que par segmentation de la flotte.
Régulation du trafic : c’est un point très délicat dans le cas du ‘fast polling’. Dans la majorité
des cas, et pour simplifier ce problème, le cycle de polling est fixé (souvent entre 10 et 20
secondes) et l’on calcule ainsi la taille des mémoires tampon à utiliser dans chaque site.
Tous ces éléments permettent d’atteindre des capacités de l’ordre de 40 polling par seconde et par
porteuse TETRA, bien supérieure à la capacité normale de 5 à 10 polling par seconde usuellement en
cours lorsque le système n’est pas optimisé.
CONCLUSION
L’optimisation des transmissions de données sur un réseau radio à bande étroite fait intervenir de
très nombreux facteurs dont la maitrise complète reste difficile et qui fait souvent appel à une
longue expérience acquise sur des réseaux dont les types de trafic sont très divers. C’est
probablement l’une des raisons qui explique la grande disparité des performances mesurées d’un
réseau à l’autre.