RF-Hyper 2006

Evolution des systèmes radiomobiles

Michel TerréConservatoire National des Arts et Métiers

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Les besoins

Le succès du GSM, (plus de 43 millions de français !) Le succès du GSM, (plus de 43 millions de français !) L'ADSL, (plus de 10 millions de français !)L'ADSL, (plus de 10 millions de français !) Télévision Numérique Terrestre,Télévision Numérique Terrestre, nouvelles demandesnouvelles demandes

nouveaux moyens de communications et de mobiliténouveaux moyens de communications et de mobilité accéder à tous les supports -- voix, données, vidéo -- quel que accéder à tous les supports -- voix, données, vidéo -- quel que

soit l’endroitsoit l’endroit

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Les besoins

"… highly reliable communication whenever and wherever needed" [1]

"… to offer an expanded set of operational choices to the users, applications and service providers, operators, regulators in the context of heterogeneous mobile radio systems" [2]

"…the user-centric broadband experience is about the user being able to use all the services to which he or she has subscribed from any location, using any device" [3]

[0] J. Mitola et al.,"Cognitive radio: An integrated agent architecture for software defined radio," Doctor of Technology, Royal Inst. Technol. (KTH) Stockholm, Sweden, 2000.

[1] S. Haykin, "Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications", IEEE JSAC, vol 23, n°2, February 2005.

[2] Projet IST End-to-End Reconfigurability (E²R), http://e2r.motlabs.com/ [3] Ph. Lainé, L. Le Gouriellec, J. De Vriendt, "Making User-Centric Broadband in Acces A Reality",

Alcatel Telecommunications Review, 2nd Quarter 2005.

Radio Cognitive !

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Les besoins

source: D. Rouffet, S. Kerboeuf, L. Cai, V. Capdevielle, "4G Mobile", Alcatel Telecommunications Review, 2nd Quarter 2005.

bit/s/Hz/km² !

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Les systèmes

systèmes à très courte portée (WPAN) remplacer les fils et les cordons à la maison et au bureau.

système à courte portée (WLAN) applications de réseaux locaux résidentiels et professionnels.

systèmes à moyenne et longue portée (WMAN) téléphonie mobile cellulaire et aux applications associées.

systèmes à très longue portée (WWAN) systèmes de communications satellitaires.

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Les systèmes à très courte portée

Le plus connu : Bluetooth (IEEE802.15.1)Le plus connu : Bluetooth (IEEE802.15.1) 2.4 GHz, modulation GMSK (env. cste)2.4 GHz, modulation GMSK (env. cste) Saut de fréquence, 79 canaux de 1 MHzSaut de fréquence, 79 canaux de 1 MHz Débit Débit ≈ ≈ 1 Mbit/s1 Mbit/s Portée < 10m, 1 mWPortée < 10m, 1 mW

Un avenir : L'Ultra Large Bande (ULB)Un avenir : L'Ultra Large Bande (ULB)IEEE802.15.3a (fini 01/06) ECMA 368-369IEEE802.15.3a (fini 01/06) ECMA 368-369IEEE802.15.4aIEEE802.15.4a

"Wireless USB""Wireless USB" Bande 3.1-10.6 GHz (7 GHz !)Bande 3.1-10.6 GHz (7 GHz !) Impulsions ou OFDMImpulsions ou OFDM Débit Débit ≈ ≈ 400 Mbit/s (HDR)400 Mbit/s (HDR) Portée < 10 m, 0.5 mWPortée < 10 m, 0.5 mW

Tout en radio ?

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Les systèmes à très courte portée

Masque FCC : -41 dBm/MHz, 79 nW/MHz, 0.5 mW dans 7 GHz

UWB

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Les systèmes à très courte portée

Vers le millimétriqueVers le millimétrique 17 GHz17 GHz 60 GHz 60 GHz beaucoup d'intérêt ! beaucoup d'intérêt !

Le tunnel optique ….?Le tunnel optique ….? Radio / optique Radio / optique fibre fibre optique / radio optique / radio

Avenir(moyen terme)

Source IMEP/ projet Bilbao

Antenne UWB

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Les systèmes à courte portée

WiFi IEEE802.11g (ex IEEE802.11b)WiFi IEEE802.11g (ex IEEE802.11b) 2.4 GHz, bande 20 MHz2.4 GHz, bande 20 MHz OFDM, (FFT 64)OFDM, (FFT 64) Débit Débit 54 Mbit/s54 Mbit/s Portée < 100 m, 100 mWPortée < 100 m, 100 mW

22 MHz

83.5 MHz

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Les systèmes à courte portée

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Les systèmes à moyenne et longue portée

UMTSUMTS 2 GHz, bande 5 MHz2 GHz, bande 5 MHz CDMA, (QPSK)CDMA, (QPSK) Débit Débit 2 Mbit/s2 Mbit/s Portée 1 – 4 km, Base 15 W, terminal 100 mWPortée 1 – 4 km, Base 15 W, terminal 100 mW

Wimax (IEEE802.16e)Wimax (IEEE802.16e) 3.5 GHz, bande 10 MHz, 20 MHz3.5 GHz, bande 10 MHz, 20 MHz OFDMA, (QAM)OFDMA, (QAM) Débit Débit 75 Mbit/s 75 Mbit/s Portée 1-10 km, Base 15 W, terminal 1WPortée 1-10 km, Base 15 W, terminal 1W

Les normes !

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Systèmes à très longue portée

Bande étroite (téléphonie)Bande étroite (téléphonie) GlobalstarGlobalstar

Mobile Mobile satellite LEO satellite LEO ThurayaThuraya

Mobile Mobile satellite GEO satellite GEO

Large bande (données)Large bande (données) UMTS satelliteUMTS satellite

Terminal 250 mW à 2 WTerminal 250 mW à 2 W

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Les évolutions

Densification des réseauxDensification des réseaux

Amélioration du codage et du contrôle de Amélioration du codage et du contrôle de puissancepuissance

Généralisation des approches MIMOGénéralisation des approches MIMO

OFDM généraliséeOFDM généralisée

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2ree

0

bb d4kT

GGP

N

ER

Densification des réseaux

Rapproche les stations de base et les points d'accès Rapproche les stations de base et les points d'accès des usagersdes usagers

A même débit A même débit diminution des puissances émises diminution des puissances émises(importance pour la liaison montante : terminal (importance pour la liaison montante : terminal réseau) réseau)

débit

Puissance émise

distance

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Densification des réseaux

Source : FCC, http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-03-289A1.pdf, Novembre 2003

Température d'interférence

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Amélioration du codage et du contrôle de puissance

Effet des Turbo-codes (Berrou, Glavieux 1990)Effet des Turbo-codes (Berrou, Glavieux 1990) Ex UMTS rapport signal sur bruit compris entre 1 et 5 dB Ex UMTS rapport signal sur bruit compris entre 1 et 5 dB

contre 10 en GSMcontre 10 en GSM

Contrôle de puissanceContrôle de puissance 2 Hz en GSM 1.5 kHz en UMTS !2 Hz en GSM 1.5 kHz en UMTS !

2ree

0

bb d4kT

GGP

N

ER

Source: Raphael Le Bidan, ENST Bretagne

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MIMO: Multiple,Input Multiple Output

SISO : Puissance reçue 2

21

e2

hPSNR

MIMO : Puissance reçue

2

22

21

e2

hhPSNR

2

canal

SNR : signal sur bruit

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MIMO: Multiple,Input Multiple Output

En diminuant les risques d'évanouissement on peut réduire les marges et diminuer la puissance émise

Densité de probabilité de la puissancereçue

Probabilité que la puissance reçue soit < à une valeur (même puissance émise)

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OFDM• simplicité de l'émetteur et du récepteur (à base de FFT),

• en cas de voie de retour, mise à profit idéale (mode propres) de l'information sur le canal (Waterfilling).

• résolution simple des multitrajets (préfixe cyclique)

• Mais facteur de crête (!), car émission signal quasi gaussien

f

PSD

DS-CDMA

Vecteur propre associé à la val.

propre max de hH h

f

PSD

OFDM

f

PSD

Mono porteuse

réponse canal

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OFDM Waterfilling de l'OFDMWaterfilling de l'OFDM

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Conclusion

Densification des réseaux avec augmentation des services et Densification des réseaux avec augmentation des services et des besoins.des besoins.

Deux phénomènes opposés :Deux phénomènes opposés : Les avancées théoriques et le besoin de cohabitation Les avancées théoriques et le besoin de cohabitation

diminuer les puissances émisesdiminuer les puissances émises Les demandes de haut débit et de mobilité Les demandes de haut débit et de mobilité augmenter augmenter

les puissances émisesles puissances émises

Bluetooth : www.bluetooth.comBluetooth : www.bluetooth.comWiFi : www.wifi.orgWiFi : www.wifi.orgUMTS : www.3gpp.org, www.3gtoday.comUMTS : www.3gpp.org, www.3gtoday.comWiMax : wimaxforum.orgWiMax : wimaxforum.orgGlobalstar : www.globalstar.com Thuraya : www.thuraya.com