Performances des réseaux sans fil appliquée à la couche physique OFDM et GFDM pour la prochaine Génération de Téléphonie mobile 5G

Application de l’OFDM et du GFDM dans les Réseaux Mobiles sans Fil

 Les scénarios d’application prévus pour les réseaux 5G montrent que l’OFDM ne peut les aborder que de manière limitée. Les communications MTC et machine à machine (M2M) nécessitent faible consommation d’énergie, ce qui rend la synchronisation stricte processus nécessaire pour garder l’orthogonalité entre sous-porteuse. La faible latence requise pour l’Internet Tactile et les applications de véhicule à véhicule (V2V), ce qui signifie que les signaux OFDM avec un préfixe cyclique (CP) par symbole présenteraient un coût prohibitif faible efficacité spectrale. La faible efficacité spectrale due à l’insertion du CP pose également un problème pour l’application WRAN, où la réponse impulsionnelle typique du canal a une durée de dixièmes de microsecondes. Tous ces défis font que l‟OFDM n’est pas la forme d’onde la plus prometteuse pour la prochaine génération de réseaux mobile. Dans ce chapitre, nous avons présenté une étude des différentes normes applicables à l‟OFDM et du GFDM. 2.2. Présentation de la norme 802.11a L‟IEEE 802.11a est une extension d‟IEEE 802.11 qui permet d’améliorer la vitesse de transmission en offrant des débits de 6 à 54 Mbit/s. Elle provient de la normalisation IEEE 802.11 sur la bande des 5GHz. Cette norme a pour origine des études effectuées dans le cadre de la normalisation HiperLAN de l‟ETSI en ce qui concerne la couche physique. Pour la partie physique, les propositions suivantes ont été retenues pour cette norme :  Fréquence de 5GHz dans la bande U-NII qui est une bande sans license ;  Modulation OFDM avec 52 porteuses, autorisant des performances excellentes en cas de chemins multiples ;  Huit débits échelonnés de 6 à 54 Mbps. Ce débit sélectionné par la carte d’accès dépend de la puissance de réception. Pour une distance de quelques mètres entre la carte d’accès et la station de base, la vitesse est de 54 Mbps. 39 Ce niveau physique est complexe. Il fait appel à de nombreuses techniques de transmission numérique, simples ou plus avancées, telles que la modulation de phase, la transmission par multi-porteuses OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), le codage convolutionnel et l’entrelacement. 

 Les différentes autres normes du 802.11

 Du 802.11 ont découlé plusieurs normes communément appelés des amendements dont certains sont toujours en cours de normalisation. Ces amendements ont été publiés par les organismes de normalisation des réseaux sans fils dans l‟unique but de lui ajouter des améliorations et des modes de fonctionnement plus performants. Voici chronologiquement, les principaux amendements et leurs principales caractéristiques :  Norme 802.11b : quelques temps après, toujours en 1999 apparait la norme 802.11b qui est la plus utilisée en cet année. Cette norme quant à elle offre un débit théorique de 11Mbps (6 Mbps réels) avec une portée pouvant aller jusqu’à 300m. La norme 802.11b utilise la plage de fréquences des 2.4 GHz avec trois canaux radios disponibles.  Norme 802.11d : cette norme est un supplément au 802.11 permettant une internationalisation de l’utilisation des réseaux locaux 802.11. Son rôle principal est de permettre aux différents équipements d’échanger des informations sur les plages de fréquence et les puissances autorisées dans le pays d‟origine du matériel.  Norme 802.11e : cette norme vise une amélioration de la qualité de service. Elle définit les besoins des différents paquets en termes de bande passante et de délai de transmission. Ceci aura pour but de permettre, une meilleure transmission de la voix et de la vidéo.  Norme 802.11g : elle apparait en 2001, assez similaire au 802.11b, cette norme fixe un débit moye maximum à 54 Mbps théorique sur une portée pouvant aller de 25m à 75m. Cette norme spécifie 3 canaux radio.  Norme 802.11i : en 2004, nous avons l’apparition de cette norme qui améliore la sécurité (gestion et distribution des clés de chiffrement et d’authentification). Cette norme s’appuie sur l‟AES (Advanced Encryption Standard) et propose un chiffrement 40 des communications pour les transmissions utilisant les technologies 802.11a, 802.11b et 802.11g.  Norme 802.11n : la norme 802.11n apparait en 2009, offrant un débit supérieur à 270 Mbps. Cette norme s‟occupe du regroupement des canaux, et de l‟agrégation des paquets de données sur la bande des 2,4 GHz ou 5 GHz.  Norme 802.11s: cette norme offrirait un débit de 1Gbps sur la bande de fréquence des 5GHz et améliorerait véritablement la norme 802.11n. 

Présentation de la norme 802.16e (WiMAX) 

Le WiMax signifie Worldwide Interoperability for Microwave Access. Il s’agit d’un ensemble de normes techniques basées sur le standard de transmission radio 802.16 permettant la transmission de données IP haut débit par voie hertzienne. Le débit théorique maximum supporté par le Wimax est de 70 Mbits/s sur une distance théorique de plusieurs dizaines de kilomètres. En d’autres termes, le Wimax est une solution alternative pour le déploiement des réseaux haut-débit sur les territoires, qu’ils soient couverts ou non par d’autres technologies comme l’ADSL ou le câble. Le Wimax rend possible une utilisation à la fois sédentaire et nomade d’Internet haut-débit. D’un côté, les communes, les entreprises et les particuliers se connectent à Internet sans-fil à partir d’un poste fixe qui communique par ondes hertziennes via une antenne-relais appelée station de base. De l’autre, les internautes peuvent bénéficier d’une connexion rapide où qu’ils se trouvent à partir du moment où ils sont situés en zone couverte [75]. En effet la norme Wimax utilise la technique OFDM, qui stipule l‟utilisation 256 porteuses de trois types : données, pilote, inutilisée (nulle). S‟il y a 256 porteuses, un certain nombre fait office d‟intervalle de garde (56 porteuses inutilisées) et 200 seulement seront effectivement utilisées. Sur ces 200 sous-porteuses, 192 transportent les données et 8 sont des pilotes. Pour les porteuses de données, la norme spécifie les modulations BPSK, QPSK, 16- QAM ou 64-QAM (comme elles font appel à des amplitudes différentes, les constellations QAM ne se chevauchent pas), selon la robustesse du canal

 Le Standard 802.16 

Les différentes normes sont : 41  La norme IEEE 802.16 : La norme IEEE 802.16 a été approuvée en 2001 par le WIMAX Forum. Sa bande de fréquence est de 10 à 66 GHz et fonctionne en Line Of Sight (LOS). Les débits étaient élevés et la couverture large. Cette norme a connu des limitations dues à son non résistance aux obstacles.  La norme IEEE 802.16a : Cette norme a été validée en janvier 2003. Elle opère dans la bande de fréquence 2-11 GHz. Cette bande de fréquence inférieure à celle utilisée par la norme IEEE 802.16 permet de travailler en No Line Of Sight (NLOS). Cette norme offre des débits pouvant aller jusqu’à 100 Mbps. Sa portée théorique est de 50Km. Comme pour la première version de la norme sa bande est figée.  La norme IEEE 802.16d : Validée le 24 juin 2004 cette norme est une amélioration des normes IEEE 802.16a et IEEE 802.16. Elle se focalise principalement sur l‟interface air et est aussi appelée IEEE 802.16-2004. Elle opère dans la bande 2-11 GHz et prévoit une mobilité extrêmement réduite. Elle possède la propagation NLOS. Son débit théorique est de 70 Mbps avec une portée maximale de 50 Km.  La norme IEEE 802.16e : Cette variante des normes IEEE 802.16 est aussi appelée mobile Wireless Métropolitain Area Network (WMAN). Elle offre la possibilité aux utilisateurs nomades de se connecter aux fournisseurs de services internet mobiles. Elle supporte une mobilité avec des vitesses pouvant aller jusqu’à 120 Km/h pour une transmission de données. Son débit maximal théorique est de 15 Mbps en NLOS et une largeur de bande flexible allant de 1.25 MHz à 20 MHz. D’autres normes IEEE 802.16 ont vu le jour après ces quatre variantes mais elles restent très peu différentes de la norme IEEE 802.16e. Avec toutes ces fonctionnalités le WIMAX pourrait concurrencer les normes mobiles par exemple le Global System for Mobile Communication (GSM) ou même l’Universal Mobile Télécommunications System (UMTS).  La norme IEEE 802.16f : L‟IEEE 802.16f a été validée en août 2004, il a permis de faire évoluer la norme 802.16 au niveau LAN (Réseau Locaux) et MAN (Réseaux métropolitains), cette norme est aujourd’hui incluse dans la norme standard du WIMAX Fixe, le 802.16d.  La norme IEEE 802.16g : Elle a été validée par l‟IEEE depuis le 31 décembre 2007.Il décrit des méthodes de plan de gestion des procédures et des services afin d’améliorer de façon optimale la QOS (Quality of service) et la gestion des ressources radio. 42 Cette norme utilise la bande de fréquence allant de 2 à 6 GHZ.  La norme IEEE 802.16m : L‟IEEE 802.16m doit permettre la transmission de données par liaison sans fil fixe ou nomade stationnaire jusqu‟à un débit de 1Gbits/s et 100Mbits/s par liaison sans fil mobile à grande vitesse. Cette norme doit rendre possible la convergence des technologies WIMAX, Wifi et 4G afin de réaliser des réseaux maillés, et faire place à la technologie MIMO (Multiple-Input MultipleOutput) pour augmenter la bande passante des transmissions. 2.4. Présentation de la norme LTE Bien que HSDPA et HSUPA disposent de suffisamment de capacités pour rester compétitifs pendant de nombreuses années, afin de garantir la continuité des systèmes de communication 3GPP évolution concurrentielle et à long terme du réseau d‟accès 3GPP en cours de normalisation (l‟évolution de l‟architecture du système, SAE, fait référence à l‟activité réseau correspondante). Les objectifs de base de la structure LTE sont de créer un système qui réponde aux demandes de débit de données élevé, de faible temps de latence et d‟optimisation du trafic dans le domaine des paquets. Le système LTE sera conçu pour atteindre un débit de données maximal de 100 Mbps en mode DL et de 50 Mbps en UL. Le paragraphe suivant décrit les caractéristiques de base du système LTE : exigences requises, techniques d‟accès multiples à utiliser, évolutivité de la bande passante, architecture réseau et fonctions et structure des canaux. Le 3GPP a commencé à travailler sur l’évolution des systèmes mobiles 3G en novembre 2004. Il s’agissait de l’atelier RAN Evolution à Toronto, au Canada. Cet atelier était ouvert à toutes les organisations intéressées, membres et non membres du 3GPP [77]. Cela a conduit à la participation de plus de 40 contributions de tous les domaines du commerce mobile. Des opérateurs, des fabricants et des instituts de recherche se sont exprimés sur l’évolution du réseau d’accès terrestre universel (UTRAN) [78]. Un ensemble d’exigences de haut niveau a été défini dans l’atelier afin d’améliorer encore la fourniture de services et de réduire les coûts pour les utilisateurs et les opérateurs. De manière plus explicite, les principaux objectifs et cibles du développement LTE peuvent être énoncés comme suit :  Augmentation de la capacité du système et réduction du coût par bit, ainsi que l’utilisation du spectre 2G et 3G existant avec le nouveau spectre. 43  Atteindre des débits de données nettement plus élevés par rapport aux systèmes 3G existants, avec un objectif de 100 Mbit / s en liaison montante et de plus de 50 Mbit / s en liaison descendante.  Couverture plus étendue en fournissant des débits de données plus élevés sur des zones plus larges et une flexibilité d’utilisation des bandes de fréquences existantes et nouvelles.  A la capacité du système jusqu’à trois fois la capacité des systèmes actuels et fourniture accrue de services – plus de services à moindre coût avec une meilleure expérience utilisateur.