Le IEEE802.16 principe et structure

Objectif

Le standard IEEE802.16 vise à offrir un moyen de communication sans-fil à la fois innovant, rapide à déployer et à bas coût. En plus de cela, il entretient une interopérabilité complète avec l’ensemble des produits existants chez tous les constructeurs respectant les normes de l’IEEE. De par ses fonctionnalités, ce type de standard est un outil puissant facilitant la compétition des fournisseurs d’accès à l’internet sans-fil en fournissant une alternative performante aux méthodes d’accès filaires. Par ailleurs, le standard est implicitement destiné à étendre le marché des solutions d’accès sans-fil en prenant en compte, dans son principe même, le caractère mobile des données multimédia ainsi que de leur usagers. Ainsi, le standard IEEE802.16 cherche principalement à combler l’écart existant entre les solutions de communication sans-fil haut débit et celles de bien plus faible débit, mais qui assurent une gestion efficace de la mobilité.

Structure

Le standard IEEE802.16 décrit un système de communication avec infrastructure. Les échanges des données sont ainsi centralisés par un organe principal. Cette organisation est caractéristique d’une architecture cellulaire. Les unités communicantes, souvent nombreuses et relativement limitées en puissance et capacité de calcul, dialoguent exclusivement avec cet organe central. Les unités obtiendront un accès avec l’extérieur ou avec une autre unité de la cellule uniquement par le biais de cet élément principal. La figure 1.1 illustre le modèle de référence de la norme et précise les blocs fonctionnels qui relèvent spécifiquement du standard. La couche MAC se compose de trois sous-couches. La sous-couche de convergence des services (CS) assure la transformation, et la représentation des informations réseaux extérieures reçues via le point d’accès de service (SAP). Ces informations proviennent en fait des unités de données de services (SDU) reçues par la deuxième composante de la couche MAC : sous-couche commune MAC (CPS). Cette sous-couche de convergence introduit la classification des unités de données des services réseaux extérieurs, et les associe à ses identifiants propres de flux de service MAC (SFID), ainsi qu’à ses identifiants de connexions (CID). De plus, cette sous-couche prend en charge certaines fonctions telles que la suppression des entêtes de données (PHS). De nombreuses spécifications sont disponibles pour cette sous-couche afin de la rendre interfaçable avec un grand nombre de protocoles. Le format des données issues de la sous-couche de convergence lui est propre, et la couche MAC commune (CPS) ne doit pas nécessairement pouvoir interpréter tout ou partie de ces données. La seconde composante de la couche MAC est la sous-couche commune MAC (CPS). Elle fournit les principales fonctionnalités de la couche MAC en gérant l’accès au canal l’allocation de bande passante, l’établissement et la maintenance des connexions. La sous-couche commune reçoit par exemple toutes les données utiles à la sous-couche de convergence des services. La couche MAC présente aussi une sous-couche de sécurité assurant l’authentification, l’échange sécurisé des clés de chiffrement, et le chiffrement des informations elles-mêmes. Suivant une approche différente, le standard définit aussi les spécifications de la couche physique (PHY). Le rôle de cette couche est de formaliser les moyens d’échange des données entre la couche MAC et les éléments de la topologie. Cette couche intègre, entre autres, les différentes méthodes de consommation et d’utilisation de la ressource radio. Plus spécifiquement, la section 1.2 identifie les éléments de la couche physique qui nous intéresse. Enfin, il est à noter qu’une approche inter-couche est possible car la couche physique et la couche MAC peuvent s’échanger des informations via un module de point d’accès de service physique (PHY SAP)

Chronologie

La formalisation du standard IEEE802.16 correspond à une travail de longue durée. La standard s’est en premier lieu fixé des objectifs principaux pour après définir ses premières propriétés et caractéristiques. Par la suite, des objectifs de plus en plus ambitieux ont abouti à la distinction de versions, chacune améliorant la précédente en lui intégrant des fonctionnalités additionnelles. Le tableau 1.1 établit l’évolution chronologique de la norme, de son début jusqu’à la période d’engagement de la présente étude.

Couche physique

Cette section traite de la couche physique définie par le standard IEEE802.16e. Le standard permet l’utilisation de différentes couches physiques en fonction de l’utilisation visée par le système de communication : portée, débit, tolérance aux obstacles… L’étude menée ici traite uniquement de la version de couche physique assurant l’accès multiple par division de fréquences orthogonales (OFDMA) initialement developpé par Sari et Karam (Sari et Karam, 1995). Cette technique d’exploitation efficace du spectre est destinée aux transmissions sans ligne de vue directe (NLOS) et pour des fréquences inférieures à 11 GHz. Ces fréquences étant soumises à des organismes de gestion des ressources radio (ART en France par exemple), les fréquences utilisées doivent être acquises via des licences d’autorisation. La ressource radio se trouvant ainsi limitée à un spectre borné, les ressources devront être partagées entre les utilisateurs. 1.2.1 Structure de trame L’exploitation du canal dans le standard IEEE802.16e se fait par une division combinée en temps et en fréquence. La trame est construite par les séquences de transmission de la station de base (BS) et des clients mobiles (SS). Chaque trame se décompose en deux sous-trames : chronologiquement, le lien descendant (DL) et le lien montant (UL). La figure 1.2 représente le schéma structurel d’une trame telle que définie dans le standard IEEE802.16e dans un mode de fonctionnement TDD-OFDMA. Le lien descendant contient les envois de la BS à l’ensemble des SS de sa cellule. Chronologiquement, le lien descendant contient une carte de la sous-trame du lien descendant (DL-MAP), puis une autre du lien montant (UL-MAP). Ces informations sont entre autres visibles sur la figure 1.2. DL-MAP et UL-MAP sont positionnées en début de la sous-trame du lien descendant. Notez que la UL-MAP figure ici à l’intérieur du «DL-burst ♯1 », destinés à tous les utilisateurs. Ainsi, les SS prennent connaissance des espaces temps-fréquences (ou sous-porteuses) qui leur sont destinés ou alloués respectivement pour recevoir et émettre leur données de trafic. Cet ensemble de sousporteuses définit un sous-canal de transfert de données assigné à la seule connexion de la SS qui l’a engagée. La sous-trame du lien descendant se compose, ensuite, de l’ensemble des espaces de transmission (DL burst) tels que définis par la DL-MAP. Le lien montant se compose des émissions des SS vers la BS. Cette ressource devant se partager entre toutes les SS, l’émission sur lien montant obéit au procédé DAMA : accès multiple par demande assignée. Ce procédé sera décrit dans la section 1.3. Les SS transmettent donc leur données via leur espace alloué (UL burst), information obtenue par lecture de la UL-MAP. Il est à noter que la sous-trame de lien montant contient un espace de fréquence intitulé Ranging Subchannel, par lequel les SS effectuent leur signalisations montantes de contrôle. Afin de maintenir une bonne synchronisation entre les SS et l’architecture, les deux sous-trames DL et UL sont espacées par un temps TTG : espace de transition émetteur/receveur. De plus, deux trames complètes sont elles-mêmes séparées par un temps RTG : espace de transition receveur/émetteur.

Signalisation montante de contrôle

 Afin de signaler des événements spécifiques, les SS émettent des signalisations (Ranging) en direction de la BS. Ces signalisations sont de différentes natures en fonction du type d’événement à signaler. Le standard IEEE802.16e établit quatre catégories de si gnalisation : l’initialisation de connexion (Initial Ranging), la demande de migration de cellule (Hand-Over Ranging), la demande de bande passante (Bandwidth Request Ranging) et la demande périodique (Periodic Ranging). De manière générale, l’espace temps-fréquence (Ranging Channel) de ces signalisations se situe dans le lien montant de la trame IEEE802.16e (voir figure 1.2). Ce Ranging Channel se compose d’un groupe ou plus de six sous-canaux, tous adjacents. La position de ces groupes est renseignée aux SS via l’UL-MAP. La transmission des signalisations utilise un ensemble de 256 codes orthogonaux (codes CDMA) codés sur 144 bits. Ces codes sont distribués entre les quatre types de signalisation possibles. Un utilisateur désirant émettre une de ces signalisations choisit aléatoirement un des codes disponibles dans le sous-ensemble propre à sa famille de signalisation. Ce code est alors transmis via une modulation par phase binaire (BPSK). – Initialisation de connexion : l’initialisation de connexion (ou Initial Ranging) est utilisée par une SS dès lors qu’elle désire se synchroniser pour la première fois à une BS. Ce message est envoyé sur un premier intervalle de contention : intervalle de signalisation d’initialisation (Initial Ranging Interval). – Demande de migration de cellule : ce type de Ranging demande l’engagement d’une procédure de Hand-Over afin que la SS puisse se rattacher à une autre BS tout en conservant la pérennité des services en cours. Ce message est envoyé sur le même intervalle que ceux d’initialisation de connexion : Initial Ranging Interval. – Demande de bande passante : ce type de Ranging est la première étape à l’engagement d’un flux de service vers la BS. Par ce type de requête, la SS demande à la BS de lui allouer un nombre déterminé de fréquences et d’unités de temps qui définiront son sous-canal de transmission. La plage temps-fréquence demandée, et les détails de la connexion dépendront du type de service voulu (voir la soussection 1.3.5). Les mécanismes liés à ce type de signalisation sont détaillés dans la section 1.3.4. – Demande périodique : ce type un peu particulier constitue des signalisations de contrôle. La SS est amenée à émettre ce type de signalisation sur demande de la BS afin de pouvoir engager des opérations de maintenance : adaptation du débit, mesure de puissance, changement de modulation, …. 

Codage et Modulation Adaptatifs

Le principe de communication en point à multipoint du standard IEEE802.16e définit une architecture cellulaire décomposée en secteurs. La figure 1.3 présente un exemple de décomposition d’une cellule IEEE802.16e en secteur, ces secteurs correspondent aux différentes modulations et taux de codage accessibles aux SS et à la BS de la cellule. Cette représentation en secteurs concentriques est un exemple de formalisation valable uniquement lorsqu’on considère un modèle de propagation basé sur le path loss. Dans ce type de modèle, l’affaiblissement du signal dépend essentiellement de la distance entre émetteur et récepteur et non des obstacles à la propagation des ondes radios. Aussi, suivant ce modèle de propagation, les seuils de rapport signal sur bruit définissent les rayons respectifs des secteurs. Néanmoins, il est important de préciser que d’autre modèle de propagation peuvent être considérer. D’une manière générale, le profil de modulation et de codage dépend directement du rapport signal-bruit (SNR) du récepteur. Les éléments IEEE802.16e peuvent ainsi adapter leur modulation et leur codage à la qualité du canal de transmission, afin d’optimiser l’utilisation des ressources radio tout en conservant un taux de perte acceptable. Le tableau 1.2 présente les différents codages et modulations possibles dans le standard. Ces paramètres de transmission assurent un taux de perte de blocs de donnée (BLER) inférieur à une perte d’un bloc pour un million transmis.