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MEMOIRE de THESE DOCTORAT de L’UNIVERSITÉ de TOULOUSE II École Doctorale Systèm

MEMOIRE de THESE DOCTORAT de L’UNIVERSITÉ de TOULOUSE II École Doctorale Systèmes Spécialité : Génie Informatique, Automatique et Traitement du Signal Présenté par Monsieur Nicolas Fourty Ingénieur Polytech'Montpellier Maître ès Sciences Montpellier II « Contribution à l'ingénierie du réseau sans fil WiMAX pour des applications audio d'aide au handicap et aux personnes âgées » Thèse soutenue le 25 Septembre 2008 Rapporteurs : Y. MOREAU Professeur (63) à l'Université Montpellier II M. MISSON Professeur (27) à l’Université de Clermont-Ferrand Directeur : T. VAL Professeur (61) à l'Université de Toulouse II Co-encadrant : P. FRAISSE Professeur (61) à l'Université Montpellier II Examinateurs : L. REDON MCF (27) à l'Université de Toulouse II G. PEROLLE Ingénieur de recherche - FATRONIK Invité : J J. MERCIER Professeur (27) à l'Université de Toulouse II Université de Toulouse ; UTM; LATTIS EA4155 I.U.T de Blagnac - 1, Place Georges Brassens – BP 60073 31 703 Blagnac cedex Tél : + 33 (0) 5 62 74 75 75 Fax : + 33 (0) 5 62 74 75 87 LABORATOIRE LATTIS EA 4155 Groupe SCSF Systèmes Communicants Sans Fil Remerciements Je remercie vivement Monsieur le Professeur Thierry Val, directeur adjoint du LATTIS, responsable du groupe de recherche SCSF et directeur de ma thèse, d'avoir accepté la direction de mes travaux. Je tiens à le remercier tout particulièrement pour l'excellence de son accompagnement ainsi que pour la confiance qu'il m'a accordé. Je lui suis tout particulièrement reconnaissant pour son aide active tout au long de ces trois années et demi de thèse, pour sa présence lors de chacun des rebondissements qu'ont subi mes travaux, ainsi que mon intégration au niveau de la recherche et de l'enseignement. J'exprime également ma gratitude à Monsieur le Professeur Philippe Fraisse, co-encadrant de ma thèse pour avoir accepter de co-diriger les travaux entrepris. Je tiens à le remercier vivement pour ses nombreux et pertinents conseils prodigués tout au long de la thèse. Je lui suis reconnaissant pour sa disponibilité et la confiance qu'il m'a accordé dans les réalisations industrielles sur le projet HEBE, ainsi que pour sa réactivité témoignée durant ces trois années. Je tiens aussi à exprimer ma reconnaissance à Monsieur le Professeur Jean-Jaques Mercier, précédent directeur du laboratoire, pour m'avoir accueilli au sein d'ICARE et témoigné un grande confiance en m'ouvrant les portes de sa famille. Je le remercie également d'avoir accepté l'invitation au jury. Je remercie Messieurs les Professeurs Michel Misson et Yves Moreau pour l'intérêt qu'ils ont témoigné à mes travaux en acceptant de les rapporter et de participer au jury de la thèse. Je remercie encore Madame Laurence Redon, pour son attention et ses conseils ainsi que sa présence au jury. Je remercie Monsieur Guillaume Perolle, ingénieur de recherche chez FATRONIK pour son aide technique dans le domaine de la perte d'autonomie et sa participation au jury de la thèse. Je veux également remercier tous les membre de l'équipe Eric, Fabrice, Jean-François, Laurent, Gilles, doctorants, post-doctorants et contractuels Adrien, Erwan, Céline, Youssef, Aziz, Ahcène, Tarik, Salim, ainsi que tous les stagiaires, qui on contribué à l'excellente atmosphère du laboratoire. Je tiens à remercier particulièrement tous ceux avec qui j'ai partagé mon bureau et qui ont résisté jour après jour à mes humeurs et au côté obscur. Je remercie également Bernard Gilbert du LIRMM et Iraitz Manterola de chez FATRONIK pour leur aide et leur gentillesse durant la réalisation du prototype pour le projet HEBE. Je remercie également les membres des équipes du groupe de travail L2I pour leur aide et leurs encouragements. Je remercie chaleureusement le personnel de l'IUT Blagnac, enseignants, techniciens, personnel administratif pour leur aide et l'intégration qu'ils m'ont accordé lors de mes premiers pas dans le milieu de l'enseignement en tant qu'ATER. Je remercie affectueusement ma famille – mes parents, grands parents, oncle et tantes, cousins... pour leur soutien malgré le peu de temps à leur consacrer. Je remercie également Christophe, Vincent, Fabrice, et tous ceux qui ont su me témoigner leur amitié et leur soutien tout au long de cette thèse. Je remercie enfin très affectueusement Nathalie pour sa confiance et son soutien malgré la distance qui nous a séparé. Je tiens également à la remercier pour sa présence, son affection et la force qu'elle a pu me communiquer dans les événements heureux mais aussi les plus difficiles. Table des Matières Remerciements..................................................................................................... Table des Matières...............................................................................................2 INTRODUCTION............................................................................................9 CHAPITRE 1 : L'état de l'art............................................................................13 1 Les protocoles pour applications audio.................................................................14 1.1 La voix sur IP..........................................................................................................14 1.1.1 Historique et contexte......................................................................................14 1.1.2 La voix et la téléphonie sur IP...........................................................................15 1.1.2.1 La voix.....................................................................................................17 1.1.2.1.1 Les contraintes de la communication vocale.......................................17 1.1.2.1.2 La qualité du codec audio..................................................................18 1.1.2.2 Le protocole IP.........................................................................................19 1.1.2.2.1 Historique.........................................................................................20 1.1.2.2.2 Les champs du protocole IP...............................................................20 1.1.2.2.3 La qualité de service..........................................................................21 1.1.2.2.4 La fragmentation...............................................................................21 1.1.3 Les points clés de la VoIP..................................................................................22 1.1.3.1.1 Les délais..........................................................................................23 1.1.3.1.2 La gigue de transmission....................................................................24 1.1.3.1.3 Les pertes..........................................................................................25 1.1.3.2 Bilan........................................................................................................26 1.2 La Signalisation.......................................................................................................27 1.2.1 Les protocoles de gestion et de contrôle.............................................................27 1.2.1.1 RTP/RTCP..............................................................................................27 1.2.1.1.1 RTP..................................................................................................27 1.2.1.1.2 RTCP...............................................................................................28 1.2.1.2 Le protocole RSVP...................................................................................29 1.2.2 Le protocole H.323..........................................................................................31 1.2.2.1 Historique................................................................................................31 1.2.2.2 Principe de fonctionnement......................................................................31 1.2.2.3 Les éléments du protocole.........................................................................33 1.2.2.3.1 Le Terminal ......................................................................................33 1.2.2.3.2 Le MCU ..........................................................................................33 1.2.2.3.3 La passerelle (Gateway)......................................................................34 1.2.2.3.4 Le portier (Gatekeeper).....................................................................34 1.2.2.4 Déroulement d’une communication H.323...............................................34 1.2.3 Le protocole d'initiation de session SIP.............................................................36 1.2.3.1 Les entités SIP..........................................................................................37 1.2.3.2 Déroulement d’une communication SIP....................................................37 Table des Matières 1.2.3.3 Les messages SIP.......................................................................................38 1.2.3.4 La sécurité................................................................................................39 1.2.3.5 Bilan H323/SIP........................................................................................40 1.2.4 Skype...............................................................................................................40 1.2.4.1 Généralités...............................................................................................41 1.2.4.2 Mode de fonctionnement [BAS]................................................................41 1.2.4.2.1 Les ports d'écoute..............................................................................42 1.2.4.2.2 L'audio.............................................................................................42 1.2.4.2.3 Le chiffrement...................................................................................42 1.2.4.2.4 NAT et firewall.................................................................................42 1.2.4.3 Établissement d'une communication.........................................................42 1.2.4.4 Avantages/inconvénients de Skype.............................................................43 1.3 Conclusions.............................................................................................................43 2 Les technologies de communication sans fil..........................................................44 2.1 La classification des réseaux sans fil...........................................................................44 2.1.1 Les réseaux sans fil personnels (WPAN)............................................................46 2.1.1.1 Bluetooth.................................................................................................46 2.1.1.2 Ultra Wide Band – UWB.........................................................................46 2.1.1.3 Zigbee......................................................................................................46 2.1.1.4 RFID.......................................................................................................47 2.1.2 Les réseaux locaux sans fil (WLAN)[MIS].........................................................48 2.1.2.1 Wi-Fi.......................................................................................................48 2.1.3 Les réseaux sans fil métropolitains (WMAN) et les réseaux mobiles 3G..............49 2.1.3.1 WiMAX...................................................................................................50 2.1.3.2 Les réseaux mobiles de 3ème génération (3G)............................................50 2.1.3.3 MBWA....................................................................................................51 2.1.4 Les réseaux sans fil à longue distance (WWAN).................................................51 2.1.4.1 L'Internet par satellite [PUJ].....................................................................51 3 Bilan..................................................................................................................52 CHAPITRE 2 : Présentation des normes IEEE802.16 / WiMAX.......................53 1 La place du WiMAX dans le paysage sans fil [FOU5]............................................54 1.1 Historique et cibles..................................................................................................54 1.1.1 Rapide historique.............................................................................................54 1.1.2 Les cibles.........................................................................................................54 2 La technologie WiMAX.......................................................................................55 2.1 Généralités..............................................................................................................55 2.2 IEEE 802.16 et WiMAX..........................................................................................55 2.3 La couche physique (Radio).....................................................................................57 2.3.1 Le principe de l’OFDM [PRA].........................................................................59 2 Nicolas Fourty - Groupe SCSF – LATTIS EA4155 Table des Matières 2.3.1.1 Généralités...............................................................................................59 2.3.1.2 Avantages et inconvénients de l'OFDM.....................................................61 2.3.2 La couche PHY OFDM FFT 256 points...........................................................61 2.3.2.1 Caractéristiques principales.......................................................................62 2.3.2.2 L'organisation des trames..........................................................................62 2.3.2.2.1 Le tramage en FDD..........................................................................64 2.3.2.2.2 Le tramage en TDD..........................................................................65 2.3.2.3 La modulation et le codage adaptatif (AMC).............................................66 2.4 La couche « liaison »................................................................................................67 2.4.1 La sous-couche de convergence.........................................................................68 2.4.2 La sous-couche de contrôle d'accès au médium..................................................68 2.4.2.1 Le mécanisme d'accès au médium..............................................................69 2.4.2.2 Le format de trame MAC..........................................................................69 2.4.2.3 La qualité de service..................................................................................70 2.4.2.3.1 UGS.................................................................................................71 2.4.2.3.2 rtPS..................................................................................................72 2.4.2.3.3 ertPS.................................................................................................72 2.4.2.3.4 nrtPS................................................................................................72 2.4.2.3.5 BE....................................................................................................72 2.4.3 La sous-couche de sécurité................................................................................72 3 Comparaison des technologies Wi-Fi / WiMAX....................................................73 3.1 Au niveau radio.......................................................................................................73 3.2 Au niveau couverture...............................................................................................74 3.3 Au niveau QdS........................................................................................................74 3.4 Au niveau MAC......................................................................................................75 3.5 Bilan et objectifs......................................................................................................75 3.5.1 Conclusion de la comparaison..........................................................................75 3.5.2 La place de WiMAX dans les applications envisagées.........................................76 CHAPITRE 3 : Modélisation et Simulation de la couche PHY WirelessMAN OFDM-256 de 802.16-2004..............................................................................79 1 Généralités et modèles des transmissions sans fil [PRA].........................................80 1.1 L'atténuation en espace libre : le pathloss [ABH].......................................................81 1.2 Les zones d'ombre : le shadowing.............................................................................82 1.3 L'évanouissement....................................................................................................82 1.3.1 Bande de cohérence et temps de cohérence d'un canal.......................................83 1.3.1.1 Bande de cohérence et étalement temporel [BAU]......................................84 1.3.1.2 Effet Doppler et Temps de cohérence.........................................................85 1.3.2 Dualité temps fréquence...................................................................................87 1.4 Les modèles de canaux [CHA].................................................................................89 Contribution à l'ingénierie du réseau sans fil WiMAX pour des applications audio d'aide au handicap et aux personnes agées 3 Table des Matières 1.4.1 Les modèle statistiques.....................................................................................89 1.4.1.1 Le modèle Rayleigh...................................................................................89 1.4.1.2 Le modèle de Rice.....................................................................................90 1.4.2 Les modèles empiriques....................................................................................91 1.4.2.1 Le modèle de l'UIT..................................................................................91 1.4.2.2 Le modèle de l'université de Stanford (SUI)...............................................92 2 La Modélisation d'une chaine d'émission réception WiMAX [FOU4]....................92 2.1 L'outil de validation.................................................................................................93 2.1.1 Le brassage des données....................................................................................93 2.1.2 Le codage de canal et l'entrelacement................................................................94 2.1.2.1 Le codage de canal ou code correcteur d'erreur...........................................94 2.1.2.2 L'entrelacement........................................................................................96 2.1.3 La modulation et la création du symbole OFDM..............................................97 2.1.4 Confrontation avec les vecteurs de tests.............................................................98 2.2 Proposition d'un modèle de récepteur.......................................................................99 2.2.1 La structure générale de notre modèle...............................................................99 2.2.1.1 L'étage d'émission.....................................................................................99 2.2.1.1.1 La génération des données.................................................................99 2.2.1.1.2 Le codage, l'entrelacement et la modulation.....................................100 2.2.1.2 Le canal de propagation .........................................................................100 2.2.1.3 Le bloc de réception................................................................................101 2.2.2 Les mécanismes de test et de validation de notre chaîne d'émission/réception.. .101 2.2.2.1 Validation de notre bloc de réception.......................................................102 2.2.3 La modulation adaptative...............................................................................103 2.2.3.1 Estimation de la qualité du canal.............................................................103 3 Application du modèle pour la transmission de données audio.............................105 3.1 La diffusion audio sur réseau WiMAX....................................................................106 3.1.1 Les modifications du modèle..........................................................................106 3.1.2 L'analyse des fichiers audio.............................................................................107 3.1.2.1 Diffusion de fichiers audio non compressés..............................................107 3.1.2.2 Diffusion de fichiers audio compressés.....................................................111 3.2 Bilan.....................................................................................................................114 CHAPITRE 4 : Applications uploads/Geographie/ thesenf-pdf.pdf