Médiums de communication sans-fil

introduction:

Dans ce premier article, nous avons choisi de passer en revue les différentes technologies sans fil utilisées dans les médiums d’information connus : radio, télévision et satellite. Le cas des technologies mobiles, utilisant le réseau mobile, sera abordé dans notre second article.

Avant d’entrer dans le vif du sujet, il nous a paru important de définir l’expression réseau hertzien. En réalité, les réseaux hertziens concernent aussi bien les réseaux de mobile que les réseaux sans fil. Les réseaux mobiles se diffèrent des sans-fil par la gestion des handovers (voir schéma ci-dessous), qui consistent simplement à attribuer à l’utilisateur final une nouvelle station émettrice lorsque la cellule dans laquelle il était initialement présent ne peut plus assurer la réception/émission des données. Nous traiterons ici le cas des réseaux sans-fil.

La radio:

L’un des premiers protocoles sans fil a été l’émission de voix par ondes radio.
A l’époque, l’information que l’on voulait émettre était une voix: le problème était que si l’on tentait d’émettre une onde à la même fréquence que la voix, il était nécessaire d’avoir une antenne de 15 km environ; ceci était in-envisageable. Pour résoudre ce problème, on a modulé l’onde d’information avec une onde haute fréquence. La taille de l’antenne dans cette situation n’est alors que de l’ordre du mètre. De plus, on voit qu’à l’aide de ce procédé il devient possible d’émettre des informations différentes sur des longueurs d’ondes différentes. C’es ainsi que le concept même de radio est né.

On a ensuite défini différents groupes de longueurs d’ondes, répartis en bandes:

  • LF: bande GO “Grandes Ondes” (30 à 300 kHz)
  • MF: bande PO “Petites Ondes” (300kHz à 3MHz), utilisé pour des systèmes de collision à longues distance
  • HF: bande OC “Ondes Courtes” (3 à 30 MHz), Radiodiffusion
  • VHF: bandes I, II et III (30 à 300MHz), radio FM et télévision
  • UHF: bandes IV et V (300MHz à 3GHz), GPS, Wi-fi, télévision, 4G

Occupation des canaux d'information suivant les bandes de fréquence
Plus d’information sur le sujet concernant la répartition des ondes :
répartition des bandes de fréquence

La télévision analogique:

Nous avons donc vu comment moduler une voix et une onde. Mais comment moduler une image ?

On peut diviser une image en noir et blanc en 625 lignes. Chaque ligne possède donc une courbe représentant l’intensité lumineuse. Afin de synchroniser les lignes et le spot lumineux, on insère un “top” de µs au début de chaque ligne. Le spot lorsqu’il reçoit ce signal a 5µs pour retourner au début de la ligne. Les problèmes d’affichage sont ensuite traités dans l’article d’A. Ducros

La télévision analogique a principalement utilisé en France la bande I pour la diffusion. Cependant elle a engendré de nombreux problèmes de réceptions. C’est pourquoi, les chaines Françaises ont décidé de modifier leurs fréquences vers la Bande III.

De nos jours, la télévision analogique tend à disparaitre et les bandes IV et V sont alors utilisées pour la télévision numérique. Les canaux restants de la bande IV sont réalloués pour les protocoles de communication mobiles de 4ème génération que nous aborderons dans notre article suivant.

La télévision numérique:

La TNT est largement inspirée de la télévision classique dite analogique. En fait, les deux systèmes de diffusion ont cohabité jusqu’en 2010 avant que la TNT ne prenne définitivement le relai. Contrairement à la télévision analogique, la TNT utilise uniquement la bande de fréquence UHF.
Alors que la télévision analogique transmet un seul programme par canal, la télévision numérique permet d’en diffuser six. Le chemin numérique “emprunté” par un film ou une émission est le suivant :

  1. création de la source audiovisuelle
  2. codage numérique de la source
  3. compression de la source
  4. multiplexage et transformation en analogique
  5. émission des chaînes en analogique
  6. réception des chaînes en analogique
  7. séparation des chaînes en numérique
  8. restitution de la source audiovisuelle

De nombreux procédés techniques, mis en lumière par ces différentes étapes, tels le multiplexage ou la compression (via la norme MPEG-2) permettent aujourd’hui à la TNT de se différencier de son ancêtre. Ces améliorations peuvent être de différents types :

  1. améliorations de l’offre visuelle
  2. améliorations techniques

L’amélioration de l’offre visuelle et sonore est due aux nouvelles techniques qui sont utilisées pour transmettre et compresser les programmes.
Les améliorations techniques sont reliées à la compression et au multiplexage, accroissant le nombre de chaines pouvant être diffusées tout en diminuant le spectre d’encombrement des fréquences. La compression vidéo utilise la norme MPEG-2, qui, pour schématiser, ne prend en compte que les zones modifiées par rapport à l’image de référence. On essaie ainsi de factoriser le plus possible l’information en s’affranchissant de redondances existant entre plusieurs images successives.
L’avantage est donc double : tout en augmentant l’offre audiovisuelle, on améliore l’utilisation des fréquences.

Avant de passer au tout numérique sur la télévision, il éxistait un protocole permettant de recevoir des chaines à l’aide de paraboles. Celles-ci permettaient de recevoir les informations depuis un satellite (Atlantic Bird 3 pour le réseau francais). Le système d’envoi de l’information reste le même que celui utilisé pour le TNT. Seuls les medium d’envoi et de réception sont différents.

Les systèmes satellitaires

Il existe trois grandes catégories de systèmes satellitaires définis sous les noms de LEOS, MEOS et GEOS (pour Low, Medium et Geostationary Earth Orbital Satellite). Les satellites sont situés respectivement à environ 1000, 13 000 et 36 000 km de la Terre.
Les deux premières catégories de satellite concernent les satellites défilants, et la dernière les satellites qui semblent fixes par rapport à la Terre géostatinnaires).

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Pourquoi défilants ?

En réalité, l’orbite LEO est une orbite circulaire de basse altitude (entre 500 et 2 000 km). Cette proximité offre deux avantages : un temps de latence (temps que met à parcourir un signal) très court et une puissance réduite pour entrer en contact avec eux. (à l’inverse des satellites géostationnaires, où la puissance d’émission des terminaux doit être forte).
La période d’un satellite est de l’ordre de quelques centaines de minutes. Comme l’orbite est basse, la vitesse de défilement doit être très élevée afin de compenser l’attraction terrestre. Un satellite fait le tour de la Terre environ 14 fois par jour et sa couverture varie entre 3 000 à 4 000 km : un observateur terrestre n’aura la possibilité d’apercevoir le satellite que pendant environ 20 minutes : il défile alors sous l’observateur terrestre.

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La boucle locale satellite concerne l’accès d’un utilisateur, que ce soit par exemple une entreprise ou un particulier, au commutateur d’un opérateur employant un réseau terrestre. En d’autres termes, le satellite joue le rôle de boucle locale pour permettre à un utilisateur de se connecter à un opérateur.

Avantage : cette boucle locale est destinée aux clients isolés qui n’ont pas la possibilité d’utiliser une boucle locale terrestre. Les trois catégories de systèmes satellitaires peuvent jouer le rôle de boucle locale.

Les protocoles de la boucle locale satellite:

Les communications par l’intermédiaire d’un satellite ont des propriétés différentes de celles des réseaux terrestres. Par exemple, les erreurs se produisent de façon fortement groupée en réponse à des phénomènes physiques comme les éclairs magnétiques sur les antennes d’émission ou de réception.
Malgré ces particularités, ni les protocoles de niveau trame (couche 2), ni ceux de niveau paquet (couche 3) ont été normalisés pour l’utilisation dans le domaine satellite : il a fallu reprendre ceux existant pour les réseaux locaux et les adapter aux contraintes physiques propres au système satellite.

La boucle locale satellite exige des trames pour permettre aux récepteurs de retrouver les débuts et les fins des paquets transportés. Les paquets sont aujourd’hui de type IP, encapsulés dans des trames qui peuvent être de type ATM ou Ethernet : on parle alors de réseau satellite ATM ou Ethernet.

Une particularité des boucles locales satellite vient du défilement des satellites lors de l’utilisation d’un satellite basse altitude. Le client doit en effet changer de satellite au fur et à mesure du passage des satellites au dessus de sa tête. Ce changement s’appelle un handover satellite.
Il est également possible que les satellites défilants aient plusieurs antennes et que le terminal de l’utilisateur ait à effectuer un handover intrasatellite.
Ces handovers peuvent être de différents types, appartenant à deux grandes catégories : les soft-handover et les hard-handover. Le permier consiste à se connecter à la fois sur le satellite qui disparait et sur celui qui apparait; le passage se fait alors “en douceur”. Au contraire, dans le cas du hard-handover, le passage s’effectue brutalement, la communication devant ici passer d’un satellite à l’autre sans recouvrement.

Rédacteurs
DEPERIERS Vincent et EON Kevin élèves à l’École Centrale de Nantes, encadrés par SERVIERES Myriam, Maître de Conférences à l’École Centrale de Nantes.

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