Etalement de spectre
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- L’étalement de spectre à séquence directe
- L’étalement de spectre par saut de fréquence
- Les bandes de fréquence
- Les couches physiques du standard IEEE 802.11
- L’évolution du standard
- Les canaux CDMA
- Les canaux de contrôle
- La synchronisation d’un système CDMA
Sommaire1.L’étalement de spectre à séquence directe 5 2.L’étalement de spectre par saut de fréquence 6 1.Les bandes de fréquence 8 2.Les couches physiques du standard IEEE 802.11 9 3.L’évolution du standard 10 4.Conclusion 12 1.Les canaux CDMA 13 2.Les canaux de contrôle : 13 3.La synchronisation d’un système CDMA 14 4.Conclusion 14 Bref historique
fréquence
l’information Hedy Lamarr et George Antheil invente l’étalement de spectre par saut de fréquence
de codage de canaux de transmission Nobert Wiener établie la Théorie du filtrage pour séparer le signal du bruit
aléatoire Invention de l’étalement de spectre à séquence directe
radiolocalisation (Global Positioning System) et CDMA
Introduction Les techniques d’étalement de spectre permettent l’étalement du signal dans le domaine temporel ou le domaine fréquentiel.
Il existe plusieurs techniques d’étalement de spectre dont FHSS (Frenquency Hopping Spread Spectrum) et DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) que nous vous présenterons par la suite. Les techniques DSSS et FHSS
Le DSSS signifiant « Direct Sequence Spread Spectrum » ou « étalement de spectre à séquence directe » en français est une technique d'étalement de spectre utilisée dans les réseaux sans fil et plus précisément la norme Wifi. Cette technologie consiste à transmettre pour chaque bit une séquence Barker également appelée bruit pseudo-aléatoire. Ainsi chaque bit valant 1 est remplacé par une séquence de bits et chaque bit valant 0 par son complément. DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 
La couche physique de la norme 802.11 définit une séquence de 11 bits « 10110111000 » pour représenter un 1 et son complément « 01001000111 » pour coder un 0. Cette technique est appelée chipping. Grâce au chipping, de l'information redondante est transmise ce qui permet d'effectuer des contrôles d'erreurs voire de la correction d'erreurs. Dans les réseaux Wifi, la bande ISM 2.4 GHz – 2.4835 GHz est divisée en 14 canaux de 20 MHz. Les canaux se recouvrent donc comme l’indique le schéma qui suit. 
Comme la transmission ne se fait que sur un canal, les systèmes DSSS sont sensibles aux interférences. L'utilisation d'un seul canal pour la transmission est un inconvénient si différents réseaux 802.11 DSSS se superposent. On peut remédier à cet inconvénient en utilisant la technique FHSS décrite dans la partie suivante. Lorsqu'un canal est sélectionné, le spectre du signal occupe une bande comprise entre 10 et 15 MHz de chaque coté de la fréquence centrale, ce qui limite à 3 le nombre de canaux utilisés simultanément. Dans le cadre d'applications militaires, le DSSS peut être utilisé dans un tout autre but : dissimuler le signal en augmentant sa ressemblance avec un bruit aléatoire.
Le FHSS pour « Frequency Hopping Spread Spectrum » ou « étalement de spectre par saut de fréquence » en français est une méthode de transmission de signaux qui utilise plusieurs canaux selon une séquence aléatoire connue de l'émetteur et du récepteur. 
Cette technique offre plusieurs avantages par rapport à l'utilisation d'une fréquence unique. Il permet de rendre le signal transmis très résistant aux interférences et difficile à intercepter. De plus, les signaux peuvent partager des bandes de fréquence avec d'autres types de transmission, ce qui permet d'utiliser plus efficacement la bande passante. Au départ, le FHSS a été conçu dans un but militaire afin d'empêcher l'écoute des transmissions radio. En effet, une station ne connaissant pas la combinaison de fréquences à utiliser ne pouvait pas écouter la communication car il lui était impossible dans un intervalle de temps de 300 ms de trouver la fréquence sur laquelle le signal était émis puis de chercher la nouvelle fréquence. De plus, cette méthode offre une forte résistance aux attaques par interférence radio. Dans un souci de sécurité, les transmissions militaires utilisant le FHSS sont en plus cryptées. Aujourd'hui les réseaux locaux sans fil utilisant cette technologie sont standards ce qui signifie que la séquence de fréquences utilisées est connue de tous. La notion de sécurisation des échanges n’est donc prise en ligne de compte. Cette technique est utilisé dans le standard Wifi afin de réduire les interférences entre les transmissions des diverses stations d'une cellule. La bande de fréquence ISM 2.4 GHz - 2.4835 GHz est découpée en 79 canaux de 1 MHz permettant de créer théoriquement 26 réseaux fonctionnant simultanément. La transmission se fait ainsi en émettant successivement sur un canal puis sur un autre pendant un court intervalle de temps de 300 ms.
Ces dernières années ont vues se développer l'usage des appareils électroniques portatifs. De même, l'usage des réseaux informatiques s'est fortement étendu. C'est pourquoi, l'Institute of Electrical and Electronics Engineers a développé le standard pour le réseau local sans fils WLAN (Wireless Local Area Network) IEEE 802.11. En effet, le but de ce standard est d'offrir une connectivité sans fil aux stations (ordinateur classique ou portable, PDA...) aussi bien en intérieur qu'en extérieur. La souplesse d'utilisation et le déploiement facile et rapide (pas de câble) sont les avantages majeurs de ce type de technologie. La première version date de 1997. Deux extensions, a et b sont venues la compléter en 1999. Le standard initial définit trois couches physiques (PHY) et une couche de contrôle de l'accès au médium de transmission (MAC) :
Elles permettent toutes deux d'atteindre des débits allant jusqu'à 2 Mbit/s. La transmission par ondes radio est omnidirectionnelle et s'accommode de la présence d'obstacles opaques dans sa trajectoire. Les ondes radio souffrent cependant des interférences et des atténuations dues aux propriétés plus ou moins absorbantes des matériaux.
Les couches radio du standard IEEE 802.11 utilisent des fréquences situées dans des bandes sans licence. Ces bandes sont libres, et ne nécessitent pas d'autorisation de la part d'un organisme de réglementation. Ces bandes sans licence sont :
La bande ISM : La bande ISM utilisée dans 802.11 correspond à une bande de fréquence située autour de 2.4 GHz, avec une largeur de bande de 83.5 MHz. Cette dernière est reconnue par les principaux organismes de réglementation, tels que la FCC au Etats-Unis, l'ETSI en Europe, l'ART en France. La largeur de bande libérée varie cependant suivant les pays. Allocation des bandes de fréquences ISM selon les pays
La bande U-NII : La bande sans licence U-NII est située autour de 5 GHz. Elle offre une largeur de bande de 300 MHz. Elle est divisée en trois sous-bandes distinctes de 100 MHz. La puissance d'émission autorisée est différente dans chaque sous bande. La première et la deuxième sous bande concernent des transmissions en intérieur. La troisième concerne des transmissions en extérieur. Comme pour la bande ISM, la disponibilité de ces trois bandes dépend de la zone géographique. Allocation des bandes de fréquences U-NII selon les pays
FHSS permet théoriquement de faire fonctionner simultanément 26 réseaux 802.11 dans une même zone. De plus, sa résistance aux interférences est très importante du fait que le système saute toutes les 300ms. Cependant, son débit reste limité à 2 Mbit/s à cause de la bande passante des canaux qui est trop faible (1 MHz).
La nouvelle couche physique HR/DSSS (High Rate DSSS) utilise un codage permettant de transmettre jusqu’à 11 Mbit/s sur la voie radio. La couverture radio théorique s’étend sur 100m mais se situe en pratique autour de 30 à 60m. On a définit 14 canaux sur la bande ISM de 20 MHz chacun. L’utilisation de certains n’est pas autorisée dans certains pays. Treize de ces canaux se chevauchent mais seul un ensemble de trois canaux non recouverts peut être formé. Par conséquent, trois réseaux DSSS peuvent cohabiter dans le même espace physique sans provoquer de gênes mutuelle. Une cellule peut donc abriter trois point d’accès tout au plus opérant sur des canaux totalement différents. Sachant que chaque point d’accès peut accueillir jusqu’à 63 utilisateurs simultanément, la capacité maximale par cellule est donc de 189 utilisateurs. Cependant, la transmission ne se faisant que sur un canal, les systèmes DSSS sont plus sensibles aux interférences que les systèmes FHSS.
Le standard 802.11 continue à évoluer. Lors de la mise en service, le standard a souffert d’un manque d’interopérabilité entre les produits de différents constructeurs révélant un problème de communication entre les points d’accès. C’est pourquoi, le groupe WIFI (Wireless Fidelity). En effet, il rassemble les fabricants de matériel afin définir les règles d’interopérabilité. La nécessité d’accroitre les débits fait face à un problème majeur : la surcharge de la bande ISM. Le système Bluetooth utilise le saut de fréquence et la fréquence des sauts est bien supérieure à celle des autres systèmes (1600 sauts par seconde). Cela provoque des effets désastreux pour la coexistence avec 802.11 HR/DSSS. En effet, lorsque les deux systèmes se trouvent dans le même espace, les performances de 802.11b se dégradent fortement. Enfin, un groupe de travail (802.15.2) a été créé pour étudier ces problèmes. Pour finir, une migration vers la bande des 5 Ghz pourrait permettre d’accroitre les débits. En effet, la bande passante disponible est plus importante. Cependant, les technologies à 5 Ghz ont un coût très supérieur aux technologies actuelles.
Récapitulatif des différents sous-groupes du standard
Le potentiel d’évolution de 802.11b est considérable, la croissance se dénote partout dans le monde où de nombreux lieux publics sont équipés de zone d’accès sans fil. De plus, le standard 802.11 fait partie d’un ensemble de standard de communication sans fil. En effet, l’IEE développe le standard 802.16, WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) qui permettra l’interconnexion de systèmes sans fil distant de 2 à 50 km. De même, le sous-groupe 802.15 est chargé du développement d’un groupe de standard pour la transmission sans fil à courte portée WPAN (Wireless Personal Area Network). Le sous-groupe 802.15.1 s’occupe de la standardisation du bluetooth, le 802.15.2 travail sur la coexistence des systèmes, 802.15.3 élabore un standard courte portée, haut débit capable de supporter des applications multimédia et, enfin, 802.15.4 a en charge la conception d’un standard bas débit, courte portée destiné à l’utilisation de capteurs ou encore de badges. Par conséquent, le standard 802.11 s’impose comme un standard très prometteur et bénéficie tant de l’appui de l’IEE que de celui des industriels. Ce système arrive petit à petit à maturité et propose de plus en plus de fonctionnalités. Le système CDMA Le système CDMA est une technologie à étalement de spectre. Ce système envoie des séquences pseudo-aléatoires de nombres qui sont appliqués aux bits de données émis par l’usager. Le récepteur doit connaitre le code utilisé lors de la modulation. La technique du système CDMA a initialement été utilisée pour les communications militaires pendant plus de 50 ans. Aujourd’hui, les opérateurs des réseaux cellulaires s’y intéressent. En effet, le codage le rend très difficile à brouiller, ou à écouter en clair. De plus, il permet la mesure des distances et la localisation de l’émetteur. Cette technique a été adaptée aux radiocommunications cellulaires à la fin des années 80. Le système nord-américain utilise le DSSS.
Dans le système CDMA nord-américain, la voix et les données sont transmises sur une bande de 1,23 MHz de largeur. Elle résulte du débit choisi pour la séquence pseudo-aléatoire d’élargissement de spectre. Si le système est adjacent à un autre système de radiocommunication, on prévoit une bande de garde pour limiter le bruit engendré par l’usager du système voisin. La bande de garde dépend du système voisin. Dans un système CDMA, l’espacement minimal entre les fréquences centrales de deux canaux est de 1,25 Mhz. Les canaux logiques CDMA sont les unités physiques allouées à la transmission d’une conversation ou à l’administration du système. Le nombre de canaux physiques sur un site dépend du trafic à écouler, de l’importance des données, du nombre de transferts intercellulaires à gérer…Il existe deux types de canaux logiques :
Pour obtenir synchronisation entre les stations de base, le CDMA ajoute au code de chaque signal d’usager un code spécial appelé « bruit pseudo-aléatoire ». Les stations de base se différencient les unes des autres par l’envoi de différentes parties de ce code à un moment t. Les stations de base transmettent des versions d’un même code qui ne diffèrent que par leur phase. Les stations de base sont synchronisées sur une base de temps commune afin que le décalage de temps reste constant. La synchronisation est effectuée principalement à l’aide du GPS (Global Positioning System) soit du réseau satellitaire (couverture mondiale). Cependant, en cas de défaillance, elle peut utiliser suivant, la position de la station, le réseau Loran_C (Long Range Navigation C). Il s’agit d’un réseau d’émetteurs terrestres installés dans l’hémisphère Nord et utilisés dans la navigation aérienne. Si ce réseau n’est pas disponible à l’endroit où se situe la station de base, l’oscillateur au rubidium fournira une alternative limitée dans le temps (pas stable sur une longue période).
Le canal large bande CDMA offre des ressources que les mobiles vont utiliser en fonction de leurs propres besoins, dépendant du fait qu’ils transmettent de la parole, des données ou tout autre application . La portion que cette bande, non occupée par un autre usager, est disponible pour un autre usager. Par conséquent, le système CDMA profite d’une grande flexibilité à exploiter pour des transmissions à haut débit par exemple. Enfin, les mobiles utilisent la bande indépendamment, la coexistence de ces fonctions est donc facilitée sur le canal radio CDMA. Par conséquent, le système CDMA est une technique pleine de ressources et offrant des perspectives d’évolution vers de nouvelles applications que ce soit dans la téléphonie ou dans la transmission de données. Conclusion Les techniques d’étalement de spectre permettent l’étalement du signal dans le domaine temporel ou le domaine fréquentiel. Elles diminuent le risque d’interférences avec d’autres récepteurs tout en garantissant une certaine confidentialité. Parmi les plus utilisées, on peut nommer l’étalement de spectre à séquence directe DSSS et l’étalement de spectre par saut de fréquence FHSS utilisés dans la norme Wifi IEEE 802.11 sous différentes évolutions a/b/g. Cette première technique consiste à remplacer un « 1 » par une séquence de Barker associée en l’occurrence « 10110111000 » et un « 0 » par son complément logique. On introduit donc de la redondance permettant d’effectuer de la détection voire de la correction d’erreur en bout de chaine de transmission. Le signal est ensuite transmis sur l’un des 14 canaux d’une largeur de 20 MHz de la bande ISM. La deuxième technique consiste à découper cette même bande ISM en 79 canaux de 1 MHz et à transmettre le signal en utilisant une combinaison de canaux connue de toutes les stations de la cellule. La notion de sécurisation des échanges n’est donc pas l’intérêt du FHSS dans la norme Wifi, seule la réduction des interférences entre les transmissions des diverses stations d'une cellule motive l’utilisation de cette technique. Bibliographie
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