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INRIA Rhône-Alpes - Planète project 1

Quelques exemples de technologies sans fil

équipe Planète - INRIA Rhô[email protected]

31 janvier 2006

INRIA Rhône-Alpes - V. Roca - 2

Vue d’ensemble

Deux aspects sont couverts :1. technologies IEEE-802.11xx (Wifi)2. diffusion à grande échelle de contenus dans

les réseaux DVB-H et UMTS


l Partie 1:

Les réseaux sans filsIEEE-802.11/WiFi

Nombreux transparents inspirés/empruntés à Imad Aad. Merci…


Introduction au IEEE 802.11/Wifi

l IEEE 802.11 et Wifim IEEE 802.11 (ISO/IEC 8802-11) est un standard

international décrivant les caractéristiques d'un réseau local sans fil (WLAN)

m WiFi (Wireless Fidelity) est le nom donnée à la certification délivrée par la « Wifi Alliance », l'organisme chargé de maintenir l'interopérabilité entre les matériels répondant à la norme 802.11. Par abus de langage (et marketing), le nom de la norme et de la certification sont confondus…

l norme qui couvre les couches PHY / MAC


Introduction au IEEE 802.11/Wifi… (suite)

l les évolutions de la technologie :m 1997 802.11, 2 Mbps, autour de 2.4 GHzm 1999 802.11b, 11 Mbps, autour de 2.4 GHzm 1999 802.11a, 54 Mbps (25Mbps utiles), autour de

5.2 GHzm 2001 802.11g, 54 Mbps (25 Mbps utiles), autour de

2.4 GHz, compatibilité ascendante avec 802.11b

l et quelques extensions :m 802.11e extension visant à apporter de la QoSm 802.11i extension visant à améliorer la

sécurité de 802.11a/b/g


Introduction au IEEE 802.11/Wifi… (suite)

l et le futur ?m en cours : 802.11n, jusqu’à 500 Mbpsm beaucoup voient dans les systèmes à antennes

multiples (MIMO, ou Multiple Input-Multiple Output) la technologie clef pour accroître le débit utile…


Les 3 modes de fonctionnement de 802.11

l le mode ad-hoc (ou IBSS, Independant Basic Service Set)m pas d’infrastructure fixem interconnexion directe entre les équipements


Les 3 modes de fonctionnement… (suite)

l le mode infrastructure basic (BSS, BasicService Set)m présence d’un point d’accès qui peut aussi permettre

l’interconnexion à l’Internetm pas de communication directe entre les équipements


Les 3 modes de fonctionnement… (suite)

l le mode infrastructure étendu (EBSS, ExtendedService Set)m présence de plusieurs points d’accès qui peuvent

aussi permettre l’interconnexion à l’Internetm hand-off au niveau MAC entre les différents points

d’accèsm la mobilité est transparente aux couches supérieures !


La couche MAC

l Deux modes principauxm DCF (Distributed Coordinated Function)

m en mode Ad-Hoc ou Infrastructurem version de base pour les petits paquetsm version permettant le CSMA/CA (Collision Avoidance)

pour les autres paquets

m PCF (Polling Coordination Function)m seulement en mode Infrastructure (puisqu’il faut un

arbitre)m permet de garantir à chaque station un accès minimum

au médium (absence de famine)


La couche MAC… (suite)

l Mode DCF, pour les petits paquetsm introduit des temps d’attente minimums (DIFS/SIFS)m des temps d’attente aléatoires, bornés par une

valeur qui dépend de l’historique (CW)m la borne maximum augmente s’il y a collision…



l Mode DCF avec Collision Avoidancem les RTS (Request To Send)/CTS (Clear To Send)

suivent la même approchem les paquets (de taille conséquente) ne peuvent être

transmis qu’après réception du CTS



l Mode PCF pour garantir un accès minimum au médiumm deux phases :

m polling, où le point d’accès interroge chaque stationm DCF, où le système évolue librement sans intervention

du point d’accès


La couche physique de IEEE 802.11 (1997)

l 3 possibilités prévues par 802.11 - norme 1997m DSSS / FHSS / Infrarougem mais essentiellement DSSS (étalement de spectre)

en pratique


La couche physique… (suite)

l Principe équivalent à celui présenté précédemment…

l … mais avec des différences pratiquesm un seul code de 11 bits (c’est petit !) partagé par

tous les équipementsm n’apporte aucune sécuritém n’apporte aucun multiplexage d’accèsm permet seulement la suppression des interférences



l Deux types de modulations, suivant le débit souhaité et la robustesse



l le spectre de puissance

l les canaux possiblesm de 1 à 13m en pratique, essayer de les

éloigner le plus possible pourpermettre un S/N élevé

m si trop proches, alors il y arecouvrement et interférences



l Puissance de transmission

100 mWmaximum

2.5 mW100 – 600 mWtypique

802.11 (1997)GSM


l Partie 2:

Diffusion à grande échelle de contenus dans les réseaux DVB-H


Un aperçu des standards DVB

l Digital Video Broadcasting (DVB)m DVB-T (Terrestrial) (1997), ou TNT, Télévision

Numérique Terrestre

m DVB-S (Satellite), utilisé pour la TV par satellite (ex. Eutelsat)

m DVB-S2 (Satellite), dérivé de DVB-S

m DVB-H (Handheld), pour les équipements portables

m un soucis : l’intégration


Un aperçu des standards DVB… (suite)


DVB-H versus DVB-T

l DVB-T n’est pas adapté aux équipements mobilesm DVB-T cible des équipements fixes

m la consommation électrique n’est pas un soucism le canal est de qualité constante (aux perturbations

météo près)m le relais est choisi de façon statique


DVB-H versus DVB-T… (suite)

l Le support d’équipements portables mobiles conduit à ajoutter deux mécanismes en DVB-H

m time-slicingm MPE-FEC

l Time-slicing

m pour un TS (transport stream), transmissions durant un « burst » à un rythme élevé, puis période de silence

• équivalent à TDMA (time division multiple access)m un récepteur coupe le circuit de rx durant période OFF

• économie de batterie

m un récepteur peut sonder le réseau durant période OFF• intéressant en cas de mobilité


DVB-H versus DVB-T… (suite)

l MPE-FECm ajoute de la redondance au flux, afin de corriger des

pertes sur le canalm MPE-FEC frame: 255 colonnes, jusqu’à 1024 lignes (soit

jusqu’à ~2Mbits)m protection assurée par un code Reed-Solomon (n=255,

k=191), soit jusqu’à 25% de redondance

organisation de la trame MPE-FEC détail de la partiegauche (données)


Utilisation pour la diffusion de contenus

l DVB-H et UMTS sont idéaux pour diffuser des contenus à très large échelle…


Exemple

l diffusion de contenus très populaires, par exemple lors de JOm retransmissions en direct des JO Ł canaux TVm site Web des JO Ł tous les résultats, analyses,

programme des épreuvesm flash d’information JO Ł résultats en temps réelm documents multimédia Ł enregistrement vidéo des

épreuves, interviewsm guides de programmes disponibles Ł permettent de

choisir

l il y aura en permanence des dizaines de milliers de clients pour chaque contenu, sur une période assez courte


Exemple … (suite)

l les spectateurs sont équipés de terminaux multimédia légers, avec connectivité sans fil “haut débit”m UMTS (téléphonie sans fil cellulaire)

m communications bidirectionnelles, débit correct

m DVB-H (digital video broadcasting – handheld)m �TNT (ou DVB-T) adaptée à des équipements portables

et mobilesm communication haut débit, multimédia,

unidirectionnellem offre plusieurs canaux vidéo, des guides de

programmes, des services de diffusion de fichiers


Complémentarité UMTS / DVB-H

l UMTSm possède une voie de retour client Ł serveurm téléphonie, accès au Web, « multimédia »

l DVB-Hm diffusion à grande échelle de contenus lourds

l certains mécanismes de fiabilisation du DVB-H et le « e-commerce » requirent UMTS

DVB-H

UMTS


Introduction… (suite)

l comment transmettre ?m retransmissions en direct (streaming)

m ŁŁŁŁ les canaux TV du DVB-H sont fait pour !

m et le reste (sites Web, flashs, enregistrements, guides de programmes) ???m l’UMTS permet à chacun de surfer sur le Web…m oui, mais à quel prix ?

communicationspoint à point

je veux

je veux

Bob veut

Alice veut

serveurs du fournisseur de

contenus

réseau d’accès


Introduction… (suite)

l avec des communications point-à-point (ex. TCP), cela coince à plusieurs endroitsm coté serveur

m milliers/millions de clients à traiter individuellement, àqui retransmettre les données manquantes, etc.

m coté réseau d’accès (liaison serveur-Internet)m débit_par_client = débit_ligne / nb_clientsm avec des millions de clients, ce n’est pas beaucoup et

cela coûte très cher !

m coté réseau de distribution sans film transmissions hertziennes ŁŁŁŁ médium partagé ŁŁŁŁ

transmettre un très grand nombre de fois le même contenu est (1) un gâchis, et (2) impensable avec de gros contenus/grand nombre de clients


Services de diffusion de l’UMTS/DVB-H

l nouveaux services de diffusion de fichiersm UMTS : MBMS (Multimedia Broadcast Multicast

Services)m DVB-H : IP Datacasting

l tous deux fonctionnent en mode point-à-multipoint (multicast, ou diffusion)

m l’information traverse une seule fois un lien donné !

je veux

je veux

Bob veut

Alice veut

serveurs du fournisseur de

contenus

communicationspoint à multipoint

réseau d’accès


Services de diffusion UMTS/DVB-H (suite)

l bénéficesm coté serveur

m passage à l’échelle massif si l’on utilise la bonne approche de transmission fiable (FLUTE/FEC)

m coté réseau d’accèsm débit_par_client = débit_ligne / nb_contenus_diffusésm avoir un millions de client ou un seul revient au même

m coté réseau de distribution sans film exploite pleinement les caractéristiques naturelles de

diffusion du réseau hertzien

m les solutions reposent sur IP Ł protocole fédérateur qui permet une intégration triviale Internet/WiFi/LAN/UMTS/DVB-H


Services de diffusion UMTS/DVB-H (suite)

l diffusion vidéo en mode « streaming »m Ł les canaux TV du DVB-H sont fait pourm typiquement RTP/UDP/IPm tolère un certain niveau de pertes, présence FEC

l diffusion de fichiers (au sens large, Web inclus)m nouveau servicem repose sur de nouveaux protocoles/briques

m FLUTE ŁŁŁŁ application de transfert de fichiersm ALC ŁŁŁŁ protocole transport mcast fiablem FEC ŁŁŁŁ codes correcteurs d’erreurs

m le tout au dessus de UDP/IP

m l’objectif est une transmission totalement fiable


La vue « complète » des piles de protocoles

carousel

IP

UDP

Streaming (RTP)Download (FLUTE/ALC)

RTP Payloadformats

Codecs (Audio,Video, Speech,

etc.)AV file formats,Binary data, Still

images, Text, etc.

MBMS Bearer(s)

ServiceAnnouncement &Metadata (SDP,

XML, etc.)

Application(s)

DVB-H: datagrammes IP sont encapsulés dans la par tie données du flux MPEG-2 TS (Transpor t Stream)


Pour finir…

l les futurs réseaux UMTS/DVB-H ouvrent de nouvelles perspectives

m services de diffusion à très large échellem contenus lourdsm accès permanent à toute information

l technologies relativement maturesm mais c’est récent (FLUTE ŁŁŁŁ RFC 3926 en novembre 04)m ont beaucoup emprunté aux protocoles de l’Internet

l IP est la couche de convergencem approche unifiée Internet/WiFi/Lan/UMTS/DVB-Hm apporte une énorme souplesse

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