Communications numériques sans fil pour les objets … · Modulation, transposition à la...

Communications numériques sans fil pour les

objets connectés Octobre 2015

Alexandre [email protected] - www.alexandre-boyer.fr

PTP Innovative Smart Systems

Objectifs

• Fonctionnement des émetteurs-récepteursradiofréquences numériques (traitement bandede base et couche radio)

• Evaluation des performances :

2

• Evaluation des performances :– Bande passante requise

– Capacité ou débit binaire maximal

– Sensibilité d’un récepteur

– Link performance

– Evaluation de la portée radio

– Règlementation radio

Cas d’étude : Zigbee et l’interface radio IEEE 802.15.4 – OQPSK 2400 MHz

La technologie Zigbee

3

• Low Range-WPAN : faible débit (20 – 250 kbps), faible consommation (≈ 20 mA pendant 0.1 % du temps, quelques µA en hibernation), faible portée (0 dBm, 10-75 m).

• Adapté à l’Internet des Objets.

Contenu

• Structure typique des émetteurs/récepteursradiofréquences numériques

• Communications numériques – Bases

• Bruit et interférences

4

• Bruit et interférences

• Limitation du débit binaire

• Link performance

• Modèle de propagation – Evaluation de la portéeradio

• Règlementation radio

Rappels préalables

Modèle ISO/OSI

5

• Tout système de communication peut être modélisé selon le modèle ISO/OSI• Composé de 7 couches (layer)• Chaque couche est responsable d’une part du standard de communication et

fournit des services aux couches plus élevées

Rappels préalables

Modèle ISO/OSI – nœud communicant Zigbee

6

Ce cours :IEEE 802.15.4

Rappels préalables

RFID (13.56MHz)

ISM (434MHz +

868 MHz)

GSMGPS

WiFi

VHF30-300MHz

UHF300-3000MHz

SHF3-30GHz

EHF30-300GHz

HF3-30MHz

MF0.3-3MHz

WiFi

Gigabit

Liaison sous

marine4G

Bluetooth

Spectre radiofréquence en France

7

Fréquence (Hz)

100K 1M 10M 100M 1G 10G 100G

Radio AM

Radio OC

CBTV VHF

Radio FM

DVB-T

GSMGPS

DCS

UMTS

Liaison

satelliteWimax

ZigBee

PKE (125 kHz)

� Bandes ISM (Industrielle, Scientifique, Médicale): 6,765 - 6,795 MHz, 13,553 - 13,567 MHz, 433,05 - 434,79 MHz, 2,4 - 2,5 GHz, 5,725 - 5,875 GHz (Europe).

� GSM900 : 880-915 MHz (UL) et 925-960 MHz (DL). GSM1800 : 1710-1785 (UL) et 1805-1880 MHz (DL)� UMTS - FDD : 1920-1980 MHz (UL) et 2110-2170 MHz (DL)� 4G - LTE : 832-862 MHz (UL) et 791-821 MHz (DL). 2500-2570 MHz (UL) et 2620-2690 MHz (DL)� radio FM : 87,5 – 108 MHz.� (DVB-T) : bande IV 470-606 MHz et bande V 606-862 MHz. � GNSS (Global Navigation Satellite System) : 1559 - 1610 MHz (Bande L1, E1 et E2)

Structure typique des émetteurs

récepteurs radiofréquences

Innovative Smart System

8

récepteurs radiofréquences

numériques

Structure typique des émetteurs récepteurs radiofréquences numériques

Structure d'un émetteur/récepteur radio numérique

Antenne

Réseau d’adaptation –Filtre bande étroite

Dispositifs RF (duplexeur, switch RF)

Ligne de transmission

Front-end RFCodage

bande de base

Transceiver RF

Signal analogique

bande de base

Sig

na

l dig

ita

l

ba

nd

e d

e b

ase

Co

ntr

ôle

,

sta

tut,

ré

ve

il

Alim

en

tati

on

Configuration Canal hertzien

9

Filtre bande étroite

Processeur bande de base

Power management

Sig

na

l dig

ita

l

ba

nd

e d

e b

ase

Co

ntr

ôle

,

sta

tut,

ré

ve

il

Alimentation

Alim

en

tati

on

Processeur d’application

Alimentation

Do

nn

ée

s

Structure typique des émetteurs récepteurs radiofréquences

Exemple de module RF Zigbee

� ISM 2.4 GHz� Débit binaire = 250 kbps� Transmit power = 0 dBm� Portée : 30 – 100 m (indoor / outdoor)� Receiver sensitivity = -92 dBm� Courant : 10 µA - 50 mA (sleep / transmit)

10

� Courant : 10 µA - 50 mA (sleep / transmit)

Communications numériques –


11

Communications numériques –

Opérations principales

Communications numériques –Opérations principales

Source numérique

Codage source Décompression source

Destinataire numérique

Préparation à la transmission Reconstitution de la source

Manipulation du signal numérique pour la transmission

12

Cryptage

Codage de canal

Codage en ligne

Amplification, filtrage canal Filtrage. Amplification faible bruit

Démodulation, transpo. en bande de base

Décodage de canal

Décryptage

Transmission

BRUITRéception =

Reconstruction du

signal + détection

Réception

Modulation, transpositionà la fréquence porteuse

Décdage en ligne

Codage canal� Objectifs : réduire les effets des distorsions induites par le

canal et des perturbations externes en modifiant le contenu des trames transmises.

� Exemples :� Détection d’erreurs dans le message reçu (champ CRC)

+ demande de retransmission (Automatic RepeatreQuest).


13

reQuest). � Détection d’erreurs et correction en réception (Forward

Error Coding). � Entrelacement et Brassage

Interference Technology, Feb 2013Xiaoli Sun, NASA Goddard

Mise en forme électrique – Codage en ligne


� Comment faire la correspondance entre le symbole d’un message et les impulsions électriques réellement transmises ?

� La méthode doit fournir au signal transmis certains avantages :

� Modification de l’occupation spectrale, adapté au support de transmission.

� Synchroniser l’horloge du récepteur sur le flux binaire reçu

14

� Synchroniser l’horloge du récepteur sur le flux binaire reçu

� Ajouter de la redondance au code pour la détection d’erreur

Mise en forme électrique – Codage en ligne


tempsT = 100 ns

A = 1 V

0

Tr = 1 ns

T

Ac

n

T

tn

T

tn

Tn

Tn

T

Ac

r

r

n

τ

π

π

τπ

τπτ

=

>

=+

0

0,sinsin

2

τ = 50 ns

Signal carré (périodique)

15

tempsT = 100 nsF = 10 MHz

temps

A = 1 V

0

Tr = 1 ns

Tb = 50 nsFb = 20 MHz

0 1 0 0 1

Signal binaire (aléatoire)

Majeure partie de l’énergie sur [0; Fb]

FFT

Mise en forme électrique – Codage en ligneCode Non-Return to Zero (NRZ)


16

� Energie principalement située sur la bande [0;Fb]� Composante continue � Aucune raie à Fb

Mise en forme électrique – Codage en ligneCode binaire biphase (Manchester)

FFT


17

� Pas de composante continue �Raie à Fb � synchronisation du récepteur facilitée�Occupation spectrale plus large que NRZ

Mise en forme électrique – Codage en ligneCode binaire bipolaire Return to Zero (RZ)

FFT


18

� Pas de composante continue � Pas de raie à Fb� Assure une détection d’erreur

Trames - Paquets� Encapsulation des bits de données « utiles » (Payload) dans des trames ou paquets� Exemple : structuration de la trame Zigbee – IEEE 802.15.4 (PHY + MAC)


PHY

Preamble field(only ‘0’)

SFD PHY header (frame length) PSDU (PHY payload)

Synchro Header

19

Payload ?

Overhead ?

4 octets 1 octet 1 octet 127 octets max

133 octets max

MAC

Dest PAN ID

MSDU (MAC payload)

2 oct.

MAC Header

Frame control

Seq. Numb.

Dest Adr

Sour. PAN ID

Sour Adr

ADDR fields

Security header

Frame Check Seq.

1 oct. 0/2/8 0/2/80/2 0/2 0/5/6/10/14

2 oct.

Trames - Paquets� Structure d’un paquet Zigbee – IEEE 802.51.4 en mode d’accès CSMA-CA (Carrier Sense

Multiple Access with Collision Avoidance). Hypothèse d’un réseau faiblement chargé :


CSMA-CA TX Data FrameACK

turnaroundTX ACK Interframe spacing

20

Throughput ?

≈ 1.56 ms 4.26 ms 0.64 ms

≈ 7 ms

0.19 ms 0.35 ms

Filtrage bande de base – pulse shaping

Mise en Suppression du EMETTEUR

� Indispensable pour limiter la bande passante du signal émis

� Utilisation de filtres numériques de mise en forme en bande de base (filtres passe-bas)

� Compromis entre bande passante et forme temporelle du signal


21

Signal binaire bande de base Traitement

bande de base

Mise en forme

Modulation

amplification

Suppression du bruit hors bande

DémodulationTraitement bande de base

amplification

Medium de transmission

Suppression du bruit hors bande

Signal binaire bande de base

RECEPTEUR

Mise en forme

Filtrage bande de base – pulse shaping

( )2

21

cos

sin

−

=

S

S

S

T

rt

T

rt

T

tctf

π� Exemple : IEEE 802.15.4 – 2.4 GHz

� Utilisation d’un filtre à cosinus surélevé (coef. de

raidissement r = 0.2, M = 2 Mchips/s)


Gabarit d’émission

IEEE 802.15.4 °

22

IEEE 802.15.4

( )rM

B +=°

12

A priori, un souci sur le

spectre. Si non modulé,

avec 2 Mchips/s, le

premier min = 2 MHz,

pas 1 MHz.

Modulation

� La plupart des transmissions se font dans leur bande de fréquences originales. On parle de transmission en bande de base.

� Parfois, une transmission en bande de base n’est pas la solution optimale car le canal présente de mauvaises caractéristiques (bruit, absorption, …).

� De plus, un canal utilisant une transmission en bande de base ne peut pas


23

� De plus, un canal utilisant une transmission en bande de base ne peut pas être multi utilisateurs.

� La modulation consiste à transposer le signal initial en un autre sans en modifier le contenu informatif.

Modulation – transposition de fréquence

Transposition de fréquence

ModulationB 2B


24

Fréquence

Signal en bande de base

Signal modulé

0 +Fsignal Fporteuse-Fsignal

Démodulation

Fporteuse +FsignalFporteuse -Fsignal

Modulation – transposition de fréquence

Multiplieur

Modulation

� La modulation ou transposition de fréquence est basée sur une opération non linéaire

� Modulation idéale = multiplication.


25

UM

UP

UE

FréquenceFPFM FP-FM FP+FM

FréquenceFP

Modulation

F1 F2 FP-F2 FP+F2

FP-F1 FP+F1

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )[ ]

( ) ( )( ) ( )( )[ ]ttA

tU

ttttA

tU

ttAtUtUtU

MPPME

MPPME

PMPME

ωωωω

ωωωω

ωω

−++=

−++=

==

coscos2

coscos2

coscos)()( Bande latérale supérieure (Upper side band)

Bande latérale inférieure (lower side band)

Démodulation – transposition de fréquence

UE UR

FréquenceFPFM FP-FM FP+FM

Multiplieur

Démodulation

2FP-FM 2FP+FM

filtrage

Démodulation


26

UP

FréquenceFPF1 F2 FP-F2 FP+F2

FP-F1 FP+F1

filtrage

Démodulation

( )( ) ( )( ) ( )( )[ ] ( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )

( ) ( )( ) ( )( )[ ] ( )( ) ( )( )[ ]

( ) ( ) ( )( ) ( )( )tAt

At

AtU

ttA

ttA

tU

ttA

ttA

tU

tttA

tU

tUtUtU

MPPMMD

MPPMPPMPPMD

PMPPPMD

PMPPMD

PED

ωωωωω

ωωωωωωωωωω

ωωωωωω

ωωωωω

−+++=

+−+−+−+++=

−++=

×−++=

=

2cos4

2cos4

cos2

cos2cos4

cos2cos4

coscos2

coscos2

coscoscos2

)()(

� On distingue 2 types de modulation :

� Modulation analogique : le signal modulant est continu� Modulation numérique : le signal modulant est un signal numérique synchrone

Les différents types de modulations


27

� Le signal modulant modifie une ou plusieurs caractéristiques physiques de la porteuse :

� Amplitude

� Fréquence

� Phase

� Durée (impulsion)

( ) ( ) 1ou0B,tsinBtS p =×= ω

Amplitude Shift Key (OOK):

Frequency Shift Key :

10 1 0 1 1

porteuseporteuse

modulantmodulant

État binaire

Amplitude A1A0 A1 A0 A1 A1

Modulations numériques


28

( ) ( )( ) 1,sin0 ±=×+×= BtBAtS mp ωωFrequency Shift Key :

Phase Shift Key :

( ) ( ) 1ou0B,BtsinAtS p0 =×+×= πω

ASK

FSK

PSK

Signal modulé

Fréquence

Signal modulé

F1F0 F1 F0 F1 F1

Phase

Signal modulé

φ 1φ0 φ 1 φ 0 φ 1 φ 1

� Quelles sont les critères qui vont permettre à un ingénieur télécom de choisir une modulation ?

� Nature (analogique / numérique)

� Efficacité en terme de puissance

Critère de choix d’une modulation ?


29

� Débit binaire transmis

� Occupation spectrale

� Résistance au bruit (minimiser la probabilité d’erreur pour une

communication numérique)

� Complexité / coût

� Exemple IEEE802.15.4 - BPSK : M = 2 Mchips/s, Fp = 2.4 GHz, coef. de raidissement r = 0.2, Puissance émission = 0 dBm

Sauts de phase


Efficacité spectrale IEEE 802.15.4Pour comparer avec QPSK,

on va prendre 1 Mchip

�� 1 Msymb/s �� même

débit de symbole qu’en

QPSK

30

1 symbole (0.5 µs) B ≈ 2*M/2*(1+r) = 2.4 MHz

QPSK

( )B

DHz/s/bits b=η

Efficacité spectrale Débit binaire net


Efficacité spectrale IEEE 802.15.4

31

Bande passante du signal modulé

� En supposant qu’un bit = un chip (on omet l’étalement de spectre) :

HzsbitsBPSK //1=η

Comment accroître l’efficacité spectrale ?

� Limitation des bandes passantes des canaux � limitation du débit binaire.� Idée pour augmenter le débit sans augmenter la bande passante : transmettre des

symboles formés de plusieurs bits.� Modulation numériques à base de M symboles complexes formés de N bits, où

10 1 0 1 1Symbole

Modulation d’amplitude à une porteuse

NM 2=


Modulations numériques M-aire

32Septembre 2009

( ) NTMTT bbS ×=×= 2log

Durée d’un symbole

Amélioration de l’efficacité

spectrale :

1 1 0 1 1

porteuse

Signal modulé

Symbole

1001 11 00 11 10

Porteuse 1

Signal modulé 1

Porteuse 2

Symbole

Signal modulé 2

Modulation d’amplitude à deux porteuses

( ) ( )MB

DHzsbits b

2log// ×=η

Porteuse Q

Signal

� Soit un signal modulé avec une amplitude A et une phase φ.� On peut représenter ce signal à partir de 2 vecteurs de base orthogonaux : fonctions

cos et sin.

( ) ( )( ) ( ) ( )+=

+= c

tfAtfAts

tfAts

2sin2cos

2cos

ππϕπ

Diagramme de constellation


Modulateur I/Q

33

Porteuse I

Signal

moduléAmplitude A

Phase φ

AI

AQ

( ) ( ) ( )( )

=+=

+=

+=

I

QQI

QI

cQcI

A

AetAAA

QAIAts

tfAtfAts

arctan

2sin2cos

22 ϕ

ππ

Idée : si un bit module chacune des porteuses I ou Q, le signal modulé

en phase et en amplitude va « transporter » 2 bits simultanément !

QTraitement bande de base

Signal binaire +

Signal modulé (amplitude et

Canal Q


Modulateur I/Q

34

Oscillateur local

0°

90°

Porteuse

I

bande de basebinaire +

( )tfCπ2cos

(amplitude et /ou phase)

Canal I

� Modulation Quadrature Phase Shift Key (QPSK ou 4-PSK ou 4-QAM)

� 2 bits sont transmis par symbole, transmis durant 2 durées binaires : 2×TB

� 4 symboles possibles, caractérisés par des décalages de phase différents :• ’11’ � π/4• ’01’ � 3π/4


Modulations numériques M-aire - QPSK

35

• ’01’ � 3π/4• ’00’ � 5π/4• ’10’ � 7π/4

I

Q’11’’01’

’00’ ’10’

Diagramme de constellation


Efficacité spectrale IEEE 802.15.4� Exemple IEEE802.15.4 - QPSK : M = 2 Mchips/s, Fp = 2.4 GHz, coef. de

raidissement r = 0.2, Puissance émission = 0 dBm

Ici, la durée d’un

symbole devrait être

= 1 µs �� 1 Msymb/s

36

?=η

Occupation spectrale plus efficace que BPSK

B ≈ 2*M/2*(1+r) = 2.4 MHz

16-QAM – SNR = 10 dB


Modulations numériques M-aire

64-QAM – SNR = 10 dB

Seuils de détectionSe

uil

s d

e d

éte

ctio

n

37

EVM

?=η ?=η

EVM

Seuils de détectionSe

uil

s d

e d

éte

ctio

n


Etalement de spectre - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

� Multiplication du signal à transmettre par un code pseudo-aléatoire (Pseudo-RandomNoise PN) de débit W supérieur au signal informatif (débit D) et présentant de nombreuses transitions.

� Les codes PN sont issues d’une famille de codes orthogonaux.� Un bit du code = Chip � W = Chip Rate. � Conséquence : étalement de spectre.

Signal bande

38

� Facteur d’étalement :D

WSF =

Signal étalé

W

Signal bande de base

fréquence

D


Etalement de spectre - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)� Le signal reçu est multiplié par le code d’étalement pour extraire le signal utile et

supprimer la contribution des autres émetteurs.� Utilisation d’un récepteur à corrélation, parfaitement synchronisé avec le signal étalé.

∫SF

dnnu0

][Signal étalé

Signal Désétalé∫

SFdnnu

0][

Signal étalé

Signal Désétalé

39

codecode Amplifié par SF

Quasi nul

( )

==D

WSFPG log10log10� Gain de traitement ou Processing gain :

Signal étalé

W

Signal desétalé

fréquence

R

PG


Etalement de spectre - Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

� Intérêts :� Transmission sous le seuil de bruit� Efficacité contre les interférences� Efficacité contre la propagation multi trajet

� IEEE 802.15.4 OQPSK – 2.4 GHz :1 Msymb.

40

Données binaires PHY

Mapping bit to symbol

Mappingsymbol to chip

OQPSK modulator

Signal modulé et étalé

250 kbps 2 Mchip/s62.5 kBds1 Msymb.

phase/s

Facteur d’étalement = ?

Bruit et interférences


41

Bruit et interférences

Bruit & interférences

� Le bruit est un signal aléatoire, souvent d’origine thermique, qui définit le seuil de détection de tout récepteur

� Processus aléatoire � le comportement temporelle est imprévisible� On peut définir le bruit en terme de densité spectrale …

Densitéspectrale de puissance

Le bruit

42

Densitéspectrale de puissance (W/Hz ou dBW/Hz)

Seuil de bruit

Signal détectable

Signal non détectable

Fréquence

n0

df∫=f

dfnN 00Puissance du bruit :

( ) ( ) ( )

−−==2

22

2

1exp

2

1,

σπσσ µx

µNxf


Le bruit

� …ou de densité de probabilité� Modèle de bruit le plus usuel : loi normal ou gaussienne� Utilisé en télécommunications pour modéliser l’impact du bruit sur les récepteurs

digitaux et estimer leurs performances

43

mx

220 XXmNpuissance σ+=

Temps

Moyenne

Amplitude du bruit (x)

2σ

Densité de probabilité p(x)

Amplitude du bruit (x)

σ = écart-type

( ) ( )

222 σπσ

( ) ( )0

1log10log10

X

P

PxdBX

×=

==( ) ( )

20

0

1

10

log20log20

X

VV

V

VxdBX

×=

==

� Lorsqu’on exprime une grandeur (tension, puissance, champ électrique) en dB, on calcule le rapport entre cette grandeur et une grandeur de référence, et on le place sur une échelle logarithmique.


Le bruit

44

1001 10PP ×=20

01 10VV ×=

( ) 20 log1

VV dBV

V = ×

� Exemple :

( )

×=

W

PdBWP

1log10

1

0.1

0.01

0.001

10

100

1000

Volts

0

-20

-40

-60

20

40

60

dBV

1

0.1

0.01

0.001

10

100

1000

Watts

0

-10

-20

-30

10

20

30

dBW

� En télécommunication, les puissances sont régulièrement exprimées en dBmW ou dBm

( ) ( )

( ) ( ) ( )( ) ( ) 3030log1010

log10

1log10

3+=+=

×=

×=

− dBWPWPW

WPdBmP

mW

mWPdBmP

mW dBm


Le bruit

45

1

0.1

0.01

0.001

10

100

1000

mW

0

-10

-20

-30

10

20

30

dBm

5 W = dBW0.5 mW = dBm-10 dBm = W

• Bruit Johnson : bruit « à vide » d’une résistance. Lié à l’agitation thermique. Bruit gaussien.

• Bruit de grenaille : lié au passage des électrons à travers une résistance, une jonction PN.

4 TRbruitV k B=

2I qIB=

� Il existe de nombreuses sources de bruit. Les principales sont :


Bruit intrinsèque d’un récepteur numérique

46

résistance, une jonction PN.• Bruit rose ou en 1/f ou de scintillement : lié aux défauts des

dispositifs électroniques

• Bruit thermique kTB, formule générale :

2bruitI qIB=

( ) ( )kTBdBWN log10×=

Densité de puissance à température ambiante ?

Bruit et perturbations

Filtre linéaire

• Canal discret, sans mémoire

• processus aléatoire

gaussien de moyenne nul et de variance σ²

2

2

1( ) exp

22

xp x

σπσ

= −


Modélisation du bruit - Canal Additive White Gaussian Noise (AWGN)

47

Signal numérique émis Signal numérique

reçu

Canal de transmission

Filtre linéaire

++

nul et de variance σ² • Bruit blanc• Modélise une liaison

radio en vue directe avec un bruit thermique intrinsèque au récepteur, pas d’interférences ext.

� Les circuits actifs (amplificateurs, mixeurs, oscillateurs…) sont constitués de nombreux éléments capables de générer du bruit (transistors, diodes…).

� On caractérise leur capacité à générer su bruit à l’aide de facteur de bruit ou Noise Figure (NF).

Circuit actifNin Nout ( ) ( ) ( )dBmNdBmNdBNFN

NF out −=⇒=


Bruit intrinsèque d’un récepteur numérique – Facteur de bruit

48

Circuit actifNF

Nin Nout ( ) ( ) ( )dBmNdBmNdBNFN

NNF inout

in

out −=⇒=

1e élément 2e élément Ne élément

G1

NF1

G2

NF2

GN

NFN

NoutNin

� Mise en cascade de plusieurs circuits actifs ?

12121

3

1

21 ...

1...

11

−

−++

−+

−+==

N

N

in

out

GGG

NF

GG

NF

G

NFNF

N

NNF

� Exemple : facteurs de bruit de différents récepteurs mobiles WLAN et télévision numériques


Bruit intrinsèque d’un récepteur numérique – Facteur de bruit

49

� En supposant un bruit exclusivement d’origine thermique :

� Exemple d’un récepteur Zigbee IEEE 802.15.4 (ATMEL AT86RF230) : NF = 6 dB, RX return loss = 10 dB


Bruit intrinsèque – Seuil de bruit d’un récepteur IEEE 802.15.4

50

return loss = 10 dB

� Sensibilité requise par la spécification IEEE 802.15.4 : moins de -85 dBm

� Sensibilité annoncée par le constructeur : -101 dBm pour un PER < 1 %

� Pour caractériser l’effet du bruit sur un signal, on utilise le rapport signal sur bruit (SNR)

� Un signal harmonique est détectable si SNR > 0 dB.

Niveau de

puissance

signal

Niveau de

puissance

SSignal

détecté

Signal non

détecté

( )

=N

SdBSNR log.10


Rapport signal à bruit

51

bruit

signalf

NS

SNR < 0 dB

bruit

signal

f

S

N

SNR > 0 dB

Signal

détectédétecté

� Le bruit a un effet très néfaste sur la qualité des signaux analogiques.� Les exigences en terme de SNR pour des communications analogiques sont très

strictes. � Exemple voix/son : 45 – 50 dB requis. 30 dB : bruit de gênant.

� Le bruit et les perturbations se superposent au signal utile sur le canal.� Plus le nombre de symboles est grand, plus il sera dur de les différencier.

2 symboles 4 symboles


Résolution en amplitude

52

Pas d’interférences inter-symboles Risque d’interférences inter-symboles

� Dans l’hypothèse d’un bruit blanc gaussien, pour conserver une probabilité d’erreur nulle, le nombre maximal d’états est donné par :

� Quantité maximale de décision par moment (en bits) :

max 1S

NN

= +

max 2

1( ) log 1

2m

SD bits D

N ≤ = +

Bruit bande étroite (narrowband)


Bruit externe - interférences

53

(narrowband)

Bruit large bande (broadband)



54Septembre 2015

� Une source extérieure parasite le canal de transmission� Le brouillage peut être intentionnel (utilisation militaire)� Il peut être dû à a présence d’autres utilisateurs sur le canal (interférence co-canal),

ou sur des bandes adjacentes (interférence sur canal adjacent).

� Notion de rapport signal sur interférence plus bruit :

S



55Septembre 2015

Signal

Interférences

InterférencesInterférences

f1f1

f1f1

f1 f2 fk

Fréquence

Bande allouée àun opérateur

Sous bande

Interférences co-canal dans un réseau cellulaire

IN

S

+



émetteur et interférent sont placés à

équidistance du récepteur

56

Rappeler les puissances en jeu

Peut-il y avoir interférences ? (ces systèmes risquent-ils d’être placés à proximité ?)Interférences du 802.15.4 sur IEEE 802.11 ?Interférences du 802.11 sur IEEE 802.15.4 ?

Evaluer l’augmentation du niveau de bruit en présence d’un interférent � nécessite une distance de séparation et un modèle de propagation.

Limitation du débit binaire


57


• Rarement en line of sight

• Réflexions multiples dues aux obstacles, étalement temporel• Diffusions, difractions sur les arêtes des bâtiments• Absorption atmosphérique

Les radio communications subissent de très nombreuses perturbations qui rendent la propagation très complexe et difficilement maitrisable :


Perturbations propagation hertzienne

58

Transmission directe

diffusion

réflexion

diffraction

Absorption moléculaire

Forte pluie

1 10 100Fréquence (GHz)

0.1

1.0

10

100

Atténuation (dB/Km)

1000

Pluie moyenne

02 H20

Absorption moléculaire

Forte pluie


0.1

1.0

10

100



0.1

1.0

10

100


1000

Pluie moyenne

02 H20

� Tout signal radio subit le phénomène de Multi trajet. Le signal reçu résulte de la somme de tous les signaux directs, réfléchies et diffractées. Il est à l’origine d’évanouissements ou fading rapides.

� Chacun de ces signaux va posséder des caractéristiques différentes (temps d’arrivée, angle d’incidence, amplitude, phase, fréquence, polarisation).

� Les différentes contributions arrivent à des instants différents.� L’ensemble de ces contributions (principalement la différence de phase) donne lieu à


Perturbations propagation hertzienne

59

� L’ensemble de ces contributions (principalement la différence de phase) donne lieu à des évanouissements sélectifs en fréquence importants (de 2 à 30 dB).

transmission Diffusion / diffraction

réflexion

temps

Signal reçu

seuilTrajets multiples

fréquence

Fonction de transfert

seuil

fade

Impulsion

Plusieurs impulsions

Signal réparti sur plusieurs impulsions

Évanouissements sélectifs en fréquence

Etalement temporel Etalement temporel et « échos »

Environnement indoor Environnement outdoor


Réponses impulsionnelles de canaux hertziens

60

(H. Hashemi, « The Indoor Radio Propagation

channel », Proceedings IEEE, vol. 81, no 3, July 1993)

(J. B. Andersen, T. S. Rappaport, S. Yoshida, «

Propagation Measurements and Models for Wireless

Communications Channels», IEEE Communications

Magazine, January 1995)

� Chevauchement entre symboles successifs conduisant à une erreur binaire.� Les retards des canaux et le phénomène de multi-trajet conduit à faire apparaître de

l’IES.

Signal à émettre transmission


Interférences Entre Symboles (IES)

61

L’interférence inter symboles doit être nulle

temps temps

Signal reçu

� Conditions indispensables pour les transmissions numériques :

Limitation du débit binaire transmis

� Le diagramme de l’œil permet de contrôler visuellement la quantité d’IES.� Superposition des tracés d’un signal aléatoire reçu sur un multiple de la durée du

symbole� Les performances du canal de transmission sont lues à travers les ouvertures

verticales et horizontales de l’oeil.Échantillonnage


Interférences Entre Symboles (IES) - Diagramme de l’oeil

62

Échantillonnage sans erreurs

T


Interférences Entre Symboles (IES) - Diagramme de l’oeil

63

T

T

� La cadence de transmission de l’information dépend du nombre de caractère émis par unité de temps. Il est lié à la vitesse de variation d’un signal dans un canal.

� On la caractérise par le débit de moments ou symboles, qui s’exprime en

Bauds :

Durée pendant laquelle le symbole ( )

TBdM

1=•


Cadence de transmission de l’information

64

Durée pendant laquelle le symbole

reste constant

� Cas des systèmes numériques : en numérique, un symbole est codé par un certain nombre de bits, donné par la quantité de décision : . Le débit

binaire de la source est donc :( )2( ) logD bits n=

Quel est le débit maximal qu’on peut faire passer à travers un canal ?

( )MT

BdM =

( ) ( )MT

nDMsbitsD 2log

/ =×=••

5.02

1 =×⇔= SS TBB

TCondition de Nyquist respectée si :

� Condition de Nyquist dans le temps : pour annuler l’IES, l’effet des symboles précédents doit s’annuler à l’instant d’échantillonnage.

Critère de Nyquist en fréquence


65

2B

BTS 2

1≥ BM 2≤°

Dans le cas d’un canal passe-bas idéal et d’impulsion élémentaire, pas d’IES si :

Canal de transmission idéal de largeur de bande B

Bruit additif blanc et gaussien

sortie

S/N� Soit le canal idéal suivant :

� La capacité d’un canal est le débit de décision ou binaire maximale que peut transmettre un canal afin d’annuler le BER due à des interférences inter-symboles.

Capacité d’un canal de transmission


66

max 2

1( ) log 1

2m

SD bits D

N ≤ = +

! La capacité définit une limite maximale théorique au débit binaire d’un canal. Pour annuler le BER, on doit vérifier :

BTT

MMrm

×===≤••

211

min

max

( )

+×=×==••

N

SBMDDsbitsC mm 1log/ 2maxmaxmax

CD m ≤•


Effet du filtrage sur l’IES

( )r

BM

+=

°

1

2� Exemple IEEE802.15.4 - QPSK : M = 2 Mchips/s, Fp = 2.4 GHz, filtre à cosinus surélevé (r = 0.2), B = 1.2 MHz

� Diagramme de l’œil :

67

IES ? Instant d’échantillonnage ?

Link performance


68

Link performance

� Les signaux numériques sont sensibles au bruit … mais moins que les signaux analogiques.

� La qualité d’un signal numérique ne se mesure pas à la distorsion du signal, mais à la capacité d’un récepteur d’interpréter correctement l’état binaire transmis.

� Principal contrainte : le Taux d’Erreur Binaire (Bit Error Rate).

( ) erronésbitsdenombre

Link performance

Bruit dans les communications numériques

69

( )reçusbitsdetotalnombre

erronésbitsdenombre%BER =

� On trouve aussi Block Error Rate (BLER) ou Frame Eror Rate (FER).� Métrique pour la couche PHY IEEE 802.15.4 : Packet Error Rate (PER)

( )reçuspaquetsdetotalnombre

erronéspaquetsdenombrePER =%

� Le SNR n’est pas la meilleure métrique pour mesurer le degré de dégradation d’un signal numérique.

� L’apparition d’erreur binaire va dépendre de la capacité du bruit à fausser l’interprétation d’un bit.

� Si l’énergie transportée par un bit < l’énergie transporté par le bruit, alors on peut

Link performance

Rapport signal à bruit par bit

70

� Si l’énergie transportée par un bit < l’énergie transporté par le bruit, alors on peut craindre une erreur d’interprétation.

D

SEb =

B

NN =0

Energie par bit Densité spectrale de bruit

D

B

N

S

N

E

B

D

N

E

N

S

o

b

o

b ×=⇔×=

� Cas avec présence de signaux interférents :

D

SEb =

B

INI

+=0

Energie par bit Densité spectrale de bruit

Link performance

Rapport signal à bruit par bit

71

Db

BI =0

D

B

IN

S

I

E

B

D

I

E

IN

S

o

b

o

b ×+

=⇔×=+

Amplitude Vin du signal binaire reçu

� Soit un signal binaire transmis à travers un canal AWGN, symétrique, transmis à un récepteur binaire de seuil de décision λ0. L’apparition des états ‘0’ et ‘1’ est équiprobable.

Link performance

Relation entre BER et Eb/No - signal binaire (canal AWGN)

72

temps

signal binaire reçu

a0

a1

A

Récepteur (seuil de

décision λ0)λ0

Etat binaire transmis a :

0 01

Etat de sortie d :

d = ‘0’ si Vin < λ0

d= ‘1’ si Vin > λ0

Densité de probabilité

2σ 2σ

f(x/a0) f(x/a1)

Link performance


73

Vina0 a1λ0

( ) ( )

−−=

2

20

0 2exp

2

1/

σπσax

axf

( ) ( )

−−=

2

21

1 2exp

2

1/

σπσax

axf



2σ 2σ

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )∫∫∞−

∞+

+=

===+====0

0

10

10

/2

1/

2

1

/0.0/1.1λ

λ

dxaxfdxaxfP

aadPdPaadPdPP

err

err

Link performance


74

Vina0 a1λ0 a0 a1

λ0

+2σ 2σ


2σPerr

λ0-A0/2

201 aa

A−=

Vin

Vinλ0λ0-A/2

−−= ∫

+ 0

02

2

2exp

2

11

2

1A

err dxx

Pσσπ

( )

−−= ∫

+σ

π

2

0

2

0

exp2

12

1A

err duuP

=σ22

1 AerfcPerr

Link performance


75

==

02

1

N

EerfcBERP b

err

Pour un signal digital en bande de base au format NRZ

Aucun codage

Link performance


76

Soit un signal binaire de débit = 250 Kbits/s. Le signal en bande de base présente une bande passante de 1.2 MHz. Calculer le rapport signal à bruit nécessaire pour garantir un BER < 0.1 %.

� Augmenter la quantité de décision améliore l’efficacité spectrale, mais réduit la robustesse au bruit.

� Dans le cadre d’un canal AWGN :

×=

0N

EerfcBER bβα

Link performance

Effet de la modulation sur le BER – canal AWGN

77

Link performance

Effet de la modulation sur le BER – canal AWGN

Pas de propagation multipathAucun codage

78

Soit un signal binaire de débit = 250 Kbits/s, modulation OQPSK, bande passante de 1.2 MHz. Calculer le rapport signal à bruit nécessaire pour garantir un BER < 0.1 %.

Link performance

Estimation PER IEEE 802.15.4 – canal AWGN

� Modulation QPSK, D = 250 kbits/s, B = 2 MHz, trame de 1064 bits, canal AWGN, aucun codage, pas de propagation multitrajet

79

Exigence IEEE 802.15.4 : PER < 1 %

Puissance en entrée de Emetteur

Medium de Puissance en

sortie du Récepteur

Bruit

≤Erreur

� Connaissant la puissance émise, le modèle du canal (gain et pertes), le seuil de bruit du récepteur, on peut dimensionner les éléments du canal pour garantir une liaison sans erreur.

Link performance

Bilan de liaison (link budget)

80

entrée de l’émetteur Pe

EmetteurMedium de propagation

sortie du récepteur Pr

Récepteur

Gain Ge

Perte Le

Gain Gr

Perte Lr

Perte de propagation Lp

≤Erreur

binaire ?

rrpeeer LGLGLPP −+−+−=Bilan de puissance :

Condition à respecter : ésensibilitdeseuilPr >

Perte de parcours maximale ?

Sensibilité d’un récepteur numérique( ) esmpertesSNRbruitdeseuildBWésensibilit argmin +++=

puissance

Marges

Seuil de sensibilité

Link performance

Bilan de liaison (link budget)

81

Seuil de bruit

SNRmin

Marges supplémentaires

signal

( ) ( ) ( ) esmBDNENFkTBdBWésensibilit ob arg/log10/log10 ++++=

sensibilité

Lien entre 2 nœuds Zigbee IEEE802.15.4 OQPSK 2.4 GHz :

� Les nœud émetteur et récepteur ont des antennes de gain = 0 dB

� La puissance d’émission est de 0 dBm

� 3 dB depertesTx/Rx Returnlosses

Link performance

Bilan de liaison (link budget) – Exemple IEEE 802.15.4

82

� 3 dB depertesTx/Rx Returnlosses

� On suppose que le bruit est uniquement d’origine thermique (T°c = 25°c).

� Noise figure du récepteur = 8 dB

� Contrainte sur le PER < 1 %

Calculez la perte de propagation maximale.

Puissance électrique (dBm)Gain émetteur (dB)Pertes émetteur (dB)

Bande passante (MHz)

Emetteur

PIRE (dBm)

Link performance

Bilan de liaison (link budget) – Exemple IEEE 802.15.4

83

Bande passante (MHz)Débit binaire (kbps)Seuil de bruit thermique(dBm) @ 300°KNoise figure (dB)SNR (PER < 1 %)Sensibilité (dBm)Pertes récepteurGain antenne

Pertes de propagation (dB)

Récepteur

Puissance minimale en entrée (dBm)

Modèles de propagation


84

Modèles de propagation

Evaluation de la portée radio

Espace libre

Fréquence f2

4

×=

c

fd

GGPP ree

r

π

� Ge et Gr : gains des antennes

Modèles de propagationEvaluation de la portée

Propagation en espace libre – Formule de Friis

85

Pe Pr

� Ge et Gr : gains des antennes émettrices et réceptrices

� c = 3x108 m/s

� Affaiblissement de liaison en espace libre (path loss) : 2

4

××== fdcGP

GPL

rr

eeP

π

( ) ( )( ) ( )( )MHzfkmddBLP log20log204.32 ⋅+⋅+=


Propagation en espace libre – Formule de Friis

86

Portée théorique Zigbee ?


Propagation dans un environnement terrestre (en milieu outdoor)

87

Simulation de la couverture radio de la zone de Rangueil à 2100 MHz (réseau UMTS)

Atténuation et réflexion par les cloisons/murs

Propagation guidée le long des couloirs


Propagation dans un environnement terrestre (en milieu indoor)

88

� Propagation rarement en visibilité directe (Line of Sight)� Importantes présences de murs et d’obstacles (mobilier, personnes) � atténuation très

rapide avec la distance� Forte dépendance aux matériaux de construction� Canal non stationnaire

Diffraction sur les ouvertures

Simulation propagation indoor à 434 MHz

Champ électrique (dBµV/m)

100≈10λ

0

10

-10-20

Fading de Rayleigh ou rapide


Variations aléatoires - Slow / Fast fading

89

Distance (km)1 10 100

100

80

60

40

20

Modèle terrain plat

0

Masquage des immeubles – fading lent

100 - 1000λ

( )

−=

−

2

2

2 2

10exp

2

1)(

LN

x

LN

LN xpσπσ

β

Masquage ou Shadowing = Fading lent ou log normal (σ = 5 à 7 dB en environnement urbain) :

Fading rapide ou de Rayleigh (σ = 5 à 12 dB en environnement urbain) :

−=

2

2

2 2exp)(

RR

R

xxxp

σσ


Variations aléatoires - Slow / Fast fading – environnement indoor

� Si propagation en Non Line of Sight, modèle de fading de Rayleigh (σ entre 2 et 3)

� Si propagation en Line of Sight, modèle de fading de Rice (ν entre 0.7 et 1, K entre 2 et 10 dB)

0,2

exp)(2

2

2>

−= x

xxxpR σσ

( )0,

2exp)(

202

22

2>

+−= xx

Jxx

xpR σν

σν

σ

90

Exemple log-normal , Rayleigh, Nakagami � Tracé de CDF

Marge pour garantir 95 % d’être au-dessus d’une limite

Rôle d’un modèle de propagation :

� Estimer la portée d’un émetteur radio

� Déterminer la qualité du signal reçu en fonction de la distance et de l’environnement

� Calculer le niveau d’interférence lorsque plusieurs émetteurs co-existent

� Déterminer et configurer les équipements nécessaires pour assurer une couverture radio, une capacité et une qualité de service suffisante.


Modèle de propagation - Considérations générales

91

capacité et une qualité de service suffisante.

Il relie l’atténuation de parcours L entre un émetteur et un récepteur en fonction de la distance de séparation, de la fréquence, des paramètres de l’environnement de propagation.

( )entenvironnemhhdfLPP REER ,,,,−=

� Le canal radioélectrique est difficile à modéliser du fait de la complexité des phénomènes agissant sur le signal au cours du temps.

� De plus, du fait de la dépendance du comportement du signal avec l’environnement dans lequel il se propage, il n’existe pas de modèle de canal unique.

Méthodes


Modèle de propagation - Considérations générales

92

Exactes mais lentes Rapides mais peu précises

macrocell microcell picocell

Méthodes

Type d’environnementrural (>10km) urbain (~1km) urbain dense (<1km) indoor (<100m)

empiriquesmixtesthéoriquesdiscrètes

• fréquence• distance• polarisation• hauteur Modèle statistique

modèle de terrain

Atténuation moyenne, fading

Paramètres d’entrée


Modèles de propagation empiriques

93

• hauteur d ’antennes

• conductivité du sol• climat...

Modèle statistiquemoyenne, fading

Mesures de calibrage

(à valider sur le terrain)

Exemple de modèle empirique simple : ( )

+=

00 log.10

d

dnLdBL

� Lo (dB) : la perte de propagation moyenne à une distance de référence d0� d0 (m) : distance de référence � d (m) : distance de calcul� n : exposant de la perte de propagation (n=2 en espace libre, n>2 dans un environnement

terrestre).

� Modèle d’atténuation linéaire

( ) ( ) rrLdBL PP β+= 0

�Lp0 pertes en espace libre �β coefficient d’atténuation linéaire empirique (dB/m) �r distance émetteur-récepteur (m)

Environnement β (dB/m) @ 1.8 GHz Dense – 1 étage 0.62

Dense – N étages 2.8 Ouvert 0.22


Modèles de propagation empiriques - indoor

94

� Modèle « one slope »

( ) ( ) 00

00 ,log10 rrr

rNrLdBL PP >

+=

�Condition de visibilité directe (Line of Sight) jusqu’en r0

�Lp0(r) pertes en espace libre �N coefficient Coefficient d'affaiblissement empirique�r distance émetteur-récepteur (m)

Environnement L0(r=1m) (dB)

N

Dense – 1 étage 33.3 4 Dense - 2 étages 21.9 5.2 Dense – N étages 44.9 5.4

Ouvert 42.7 1.9 Couloir 39.2 1.4

� Modèle Motley Keenan

( ) floorfloorwallWallP LNLNLdBL ++= 0


Modèles de propagation empiriques - indoorPlan 2D bâtiment

95

� Lpo : pertes en espace libre� Nwall : nombre de murs traversés� Lwall : pertes (dB) par murs traversés, dépend de

la nature du matériau (10 – 20 dB)� Nfloor : nombre de planchers traversés� Lwall : pertes (dB) par planchers traversés,

dépend de la nature du matériau (10 – 30 dB)

� Mobilier ignoré� Réflexions, diffractions parois et

ouvertures ignorées

Matériau Atténuation moyenne (dB)

Placoplatre 3 Vitre (sanspropriétéathermique) 2

Valeurs typiques pour des fréquences comprises entre 1 et 2 GHz (augmentation des pertes avec la fréquence).


Atténuation apportée par les matériaux de construction

96

Vitre (sanspropriétéathermique) 2Vitre renforcée 8Bois 3Mur en brique d’épaisseur inférieure à 14 cm 4Mur composé de béton d’épaisseur inférieure à10 cm

9

Mur composé de béton d’épaisseur supérieure à25 cm

15

Mur de béton épais (> 25 cm) + grande vitre 11Dalle 23Mur métallique 30

� Environnement dense sur 1 étage� Atténuation mur porteur = 9 dB� Atténuation d’un cloison = 3 dB


Evaluation de la portée du Zigbee en

environnement indoor

Plan 2D bâtiment

97

Portée Zigbee ?

Règlementations radio


98

Règlementations radio

� La directive européenne 99/5/EC (1999) Radio & Telecommunications Terminal Equipment s’appliquant à tout équipement de télécom et de radio émettant sur la bande 9 KHz – 3000 GHz remplace la directive CE (ainsi que la directive Low voltage sur les risques pour la sécurité et la santé des utilisateurs).

� Elle exige que les équipements de télécoms et radio placés sur le marché européen :� Respecte les contraintes de sécurité pour les personnes imposées par la directive

Low Voltage (2006/95/CE), les limites de rayonnement EM et les contraintes de

Règlementation radio

Directive européenne R&TTE

99

Low Voltage (2006/95/CE), les limites de rayonnement EM et les contraintes de protection CEM imposées par la directive 2004/108/EC.

� Les équipements radio utilise les ressources spectrales allouées pour les communications terrestres et spatiales de manière à éviter toute interférence

� Marquage prévu :

Obligatoire pour tous les équipements concernés par la directive R&TTE

Signe d’alerte obligatoire pour les équipements classe 2

Notified Body number

Conformity mark Validity area Logo

Conformité EuropéenneEuropean Economic Area

Federal Communications Commission

USA

Voluntary Council for Control of Interference

Japan

China Compulsory

�Des approches réglementaires de la CEM et des standards pas forcémentharmonisés entre pays.


Hors d’Europe

100

China Compulsory Certificate

China

Australian Communications Authority (ACA)

Australia / New Zealand

GOST (State Committee for Quality Control and Standardization)

Former USSR countries

Korea Communications Commission

South Korea

Bureau of Standards, Metrology and Inspection

Taiwan

�Cependant des accords de reconnaissance mutuelle (Mutual Recognition Agreements (MRA)) existent entre différens pays pour faciliter l’accès au marché.


Exemple : Normes radio pour un dispositif radio Zigbee

101

Dispositifs fixes

(Champ lointain)

� Niveaux définis par l’ICNIRP, harmonisés au niveau mondial


Exposition des personnes aux champs électromagnétiques RF

Dispositifs mobiles

(Champ proche)

102

ρσ

ρ

2

)/( rmsE

dV

dW

dt

d

dm

dW

dt

dkgWDAS ===28 V/m

61 V/m

61 V/m137 V/m

DAS < 2 W/kg


Exposition des personnes aux champs électromagnétiques RF

�Limite de sécurité autour d’un point d’accès Zigbee ?

24 d

PIREP

π=Densité de puissance (W/m²):

103

d

PIREE

.60=Densité de puissance (W/m²):

Communications numériques sans fil pour les objets … · Modulation, transposition à la...

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