Brevet FR2756697A1 — publié le 19980605

PROCEDE ET POSTE MOBILE DE RADIO-COMMUNICATION, A MULTI PLEXAGE TEMPOREL La présente invention concerne les procédés de radiocommunication multipoints à courte distance, destinés à la transmission de données ou à la diffusion de messages parlés, mettant en oeuvre la technique d'accès multiple à répartition temporelle ou AMRT (TDMA en anglais), et les postes utilisables sur mobile permettant de mettre en oeuvre de tels procédés. L'invention présente un intérêt tout particulier chaque fois qu'il est nécessaire ou opportun de s'affranchir de toute infrastructure au sol pour diffuser en temps réel des informations à segments courts (typiquement de quelques centaines d'octets au maximum) entre des mobiles, ou vers des mobiles. Une application importante de l'invention est constituée par les communications entre véhicules automobiles ou vers ces véhicules, destinées par exemple à provoquer l'affichage ou la restitution de messages courts, par exemple pour informer immédiatement dun accident, pour supporter la conduite coopérative, ou pour donner des avis d'urgence. Une autre application est celle de la coordination et de la coopération utilisant des postes embarqués sur véhicules appartenant à des forces de sécurité (gendarmerie, pompiers, protection civile, etc.) ou d'intervention, dispersés dans une zone de dimensions limitées. Il existe déjà de nombreux procédés de radio-communication entre mobiles. Certains, tels que le procédé de téléphonie sans fil micro-cellulaire ou DECT prévu par la norme ETSI ETS300175 et le système cellulaire GSM, exigent une infrastructure et une répartition en cellules fixes. La défaillance d'une station de base rend le système inopérant dans toute une cellule. Au surplus, ce système est applicable surtout à la radio-téléphonie et ntest pas optimum pour la communication de données. La norme IEEE 802.11 décrit de son côté un système ne permettant que la diffusion ou la transmission de données à courte portée. L'invention vise à fournir un procédé de radio-communication et des postes permettant de l'implémenter répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que tout à la fois l'invention s 'affranchit de toute infrastructure, et donc de synchronisation et d'organisation centralisées, permet aussi bien la transmission de données et d'image que les liaisons vocales et peut aisément être réalisée pour résoudre de façon simple les conflits d'accès. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de radio-communication entre des postes mobiles, à Accès Multiple à Répartition dans le Temps, suivant lequel on émet chaque communication sous forme d'un message numérique, à la cadence d'une horloge locale du poste d'émission, au cours d'une tranche temporelle appartenant à un cycle parmi des cycles successifs de même constitution, en introduisant un préambule de synchronisation bit, suivant lequel on effectue la synchronisation de bit à la réception tranche par tranche, après un court transitoire d'alignement de la dynamique du signal et d'acquisition du préambule. On peut ensuite définir localement le cycle à partir de l'identification de la première tranche reçue. Puis les tranches ultérieures de la grille sont localisées dans le temps par simple comptage à partir de l'horloge locale, suivant un cycle qu'on peut qualifier de cycle courant local. Ce cycle courant local tend à dériver du fait du manque de stabilité et de précision de l'horloge locale et de celles des autres émetteurs du réseau. Le récepteur recale le cycle courant chaque fois que la dérive dépasse un seuil déterminé qui, par exemple, pourra être choisi tel que les recalages n'interviennent queà intervalles de plusieurs secondes. Pour cela, on évalue un cycle cible ou de consigne par calcul statistique, en écoutant la totalité des tranches émises sur le réseau (hormis au cours des tranches d'émission locale), en détectant les instants de passage d'une tranche à une autre, et en calculant la moyenne temporelle pondérée de ces instants. La pondération du calcul rend compte notamment de l'activité en réception de chaque poste du réseau, laquelle peut être codée et transmise par celui-ci à chacune de ses émissions. La dérive est alors mesurée par rapport à cette valeur de consigne et le recalage peut être effectué en jouant sur le temps de garde séparant les tranches du cycle courant. En règle générale, on insère celles des communications qui sont constituées par des paquets de données au fur et à mesure de leur production et de la disponibilité de tranches d'émission, (ces premières communications étant ainsi réalisées en mode paquet), par compétition avec résolution des conflits d'accès à chaque tranche en faveur du premier poste mobile qui émet, et celles des communications qui sont à flot continu (telles qu'en phonie) par réservation de tranches prédéfinies suivant une règle déterminée de répartition dans les cycles successifs une fois la communication initialisée (ces dernières communications étant ainsi réalisées en mode circuit). On dispose ainsi d'un procédé ne nécessitant pas d'infrastructure, à synchronisation et organisation réparties. Un tel procédé peut être qualifié de auto-synchronisant et auto-adaptatif et désigné par l'abréviation A-TDMA. I1 fait abstraction de toute infrastructure fixe. La synchronisation et l'organisation sont réparties entre les postes. La synchronisation au niveau bit peut notamment être réalisée en faisant précéder le message dans chaque tranche, d'un préambule de synchronisation. Les tranches sont complètement banalisées au sein du cycle et peuvent être indifféremment utilisées en mode paquet, en mode circuit, ou laissées libres. On peut cumuler réservation d'abord et compétition ensuite pour des postes identifiés d'un même groupe, plusieurs groupes pouvant cohabiter sur un même réseau. Une fois la synchronisation bit établie, elle est conservée sur toute une tranche sans modification. La synchronisation au niveau du format, c'est-à-dire de tous les groupements de bits (tranche et cycle), est avantageusement effectuée de façon simple en élaborant une grille temporelle par comptage à partir de l'horloge locale, et en recalant cette grille par rapport à une référence calculée à partir des informations reçues de l'ensemble des postes en fonctionnement. La stratégie d'appropriation de tranches en mode paquets peut être la suivante Lorsqu'on veut émettre en mode paquet à partir d'un poste, une tentative est faite d'insérer un message sur une tranche déclarée inoccupée par un calcul pondéré portant sur plusieurs cycles précédents. Elle peut être choisie par tirage au sort. Comme dans tous les systèmes où il n'y a pas une allocation centralisée de tranche (à partir d'une station maître permanente) ou une allocation dynamique tournante (du type "passage de jeton"), il existe un risque de collision car plusieurs postes en compétition peuvent tenter d'accéder à la même tranche qui était déclarée libre à partir du même calcul effectué séparément par ces postes. Pour résoudre les conflits d'accès, une solution simple consiste à utiliser les décalages aléatoires de synchronisation de tranche entre les postes qui cherchent à émettre sur la même tranche. Pour une plus grande efficacité, le mécanisme d'accès fonctionne en parallèle avec la synchronisation du cycle local. Chaque poste gère en local son propre cycle, qui n'est recalé que de temps à autre. Les limites de tranches dérivent donc légèrement d'un poste par rapport à l'autre et à cela s'ajoute l'effet de variation des distances, donc des temps de propagation. Un des postes émet donc un peu avant ses compétiteurs. Chacun des postes peut être conçu de façon que sa tentative d'émission soit arrêtée dès détection de la présence d'un signal sur la tranche sélectionnée, en évitant ainsi la collision qui se produirait s'il émettait. I1 existe cependant un taux de collision résiduel, qui est traité par les couches supérieures de protocole. En outre, la gestion locale des priorités d'accès peut conduire à provoquer délibérément une collision pour assurer l'entrée dans le réseau. Les logiciels implantés sont avantageusement tels que, lorsqu'un poste gagne un droit d'accès à une tranche, il ne peut la conserver au plus qu'un nombre déterminé de cycles successifs. La perte du droit d'accès permet de contrôler l'équité entre les émetteurs ayant des priorités identiques. L'accès en mode circuit peut utiliser un mécanisme analogue à celui du mode paquet, mais avec un effet de mémoire temporelle (ou récursivité) plus important, pour obtenir l'assurance que les tranches constituant le circuit sont effectivement libres et peuvent donc être réservées Un perfectionnement selon une variante de l'invention consiste à cumuler un mécanisme de réservation à un premier niveau, pour un groupe de postes identifiés, et un mécanisme de compétition à un second niveau, pour gérer les accès aux tranches réservées entre les membres du groupe. Dans le cas de plusieurs groupes simultanés, plusieurs mécanismes d'accès par compétition peuvent fonctionner en parallèle, tout en portant sur des réservations différentes. L'invention propose également une structure de poste émetteur-récepteur utilisable pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - les figures 1 et 2 sont des schémas destinés à faire apparaître deux modes possibles d'accès (mode paquet et mode circuit); - la figure 3 est un schéma de principe montrant une constitution possible des cycles de transmission permettant de mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention - les figures 4 et 5 sont des schémas synoptiques de principe de la partie radio et de la partie numérique d'un poste émetteur-récepteur utilisable pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention. Les figures 1 et 2 montrent une répartition possible dans le temps, sur trois cycles successifs, d'ordre k-l, k et k+l, dans le cas d'un fonctionnement en mode paquet (figure 1) ou en mode circuit (figure 2). Les cycles ont une durée qui dépend notablement de l'application principale envisagée. Ils peuvent aller de 1 ms à quelques dizaines de secondes. Lorsque l'application principale ou unique est la transmission ou la diffusion de données entre des mobiles nombreux, la durée du cycle peut être de l'ordre de 100 ms ou plus, chaque cycle ayant un grand nombre de tranches. Mais les applications critiques en temps réel peuvent amener à des cycles plus courts (quelques ms). Quant aux applications associant données et phonie, elles peuvent conduire à des cycles de quelques ms à 100 ms, suivant le schéma de codage utilisé (MIC direct ou vocodage à compression). Dans le cas d'une transmission en mode paquet, adaptée à la transmission de paquets de données, les ressources sont avantageusement utilisées au fur et à mesure de leurs disponibilités. Par exemple, la figure 1 montre une transmission par paquets utilisant la tranche 5 au cours du cycle k-l, la tranche 3 au cours des cycles k et k+l. En mode circuit, pour des applications en phonie, le mode d'exploitation est tel qu'un poste, une fois qu'il a acquis une répartition de tranches en émission, conserve cette répartition de tranches au cours de tous les cycles successifs jusqu'à la fin de la communication. Un cas simple de répartition peut être une ou plusieurs tranches fixes du cycle. La figure 2 montre un cas où deux communications sont établies, l'une occupant les tranches 2 et l'autre les tranches 4 des cycles successifs. La réservation de tranche de cycle en cycle peut s'effectuer en insérant une étiquette dans les contenus des tranches, jusqu'à la fin de la communication. La figure 3 montre une répartition possible dans un cycle k contenant N tranches. Dans le cas où la transmission est essentiellement une transmission de données, la durée d'un cycle sera par exemple d'environ 100 ms avec un nombre de tranches qui peut être N = 256. Suivant la bande passante disponible, le débit peut aller de quelques dizaines de kbits/s à quelques Mbits/s. Le contenu utile de chaque tranche peut varier dans des limites larges, par exemple de 24 à 1024 octets. Une longueur courte permet un fonctionnement beaucoup plus souple que celui d'un simple réseau local. Chaque tranche comporte un préambule 12, constitué d'un ou deux octets et un message 14. Un intervalle de garde, de quelques octets, est réservé après le message, pour absorber les différences de temps de propagation hertzienne et les temps de retournement des modems. Chaque message peut comporter un motif de synchronisation de tranche 18 (un octet par exemple) précédant la partie utile 20. Des octets peuvent être réservés pour d'autres fonctions, notamment pour véhiculer un certain nombre de codes utiles à la gestion répartie du réseau, pour indiquer un niveau de priorité, permettre une correction d'erreur ou effectuer un paramétrage. Chaque poste peut avoir la constitution de principe montrée en figures 4 et 5 et être regardé comme constitué de deux sous-ensembles. Le premier sous-ensemble, qui constitue un modem radio, regroupe les parties radio-fréquence, codage et décodage et synchronisation au niveau bit (figure 4). Le second sous-ensemble constitue une partie numérique, qui peut éventuellement utiliser une carte intelligente de communication ou ICC implantée ou non sur le bus d'un microcalculateur, relié à un réseau local ou directement relié à des sources d'information et à une unité d'exploitation. La liaison entre le modem radio et la partie numérique peut être assurée par une liaison série synchrone point à point à haut débit utilisant le standard RS 422A ou à moyen débit utilisant le standard RS 232C. La carte intelligente de communication peut être remplacée par un logiciel implanté dans le processeur d'un ordinateur hôte. A noter que le protocole selon l'invention peut fonctionner également sur bus cablé de type RS 485, remplaçant les liaisons RS 422A (ou RS 232C) et les modems radio. Le sous-ensemble constituant le modem radio représenté schématiquement en figure 4 est adaptable à des fréquences dans des bandes différentes, telles que 420-450 MHz, 2,45 GHz, 5,7 à 5,8 GHz, 37 à 45 GHz, 60 GHz. I1 comprend une antenne 28 omnidirectionnelle en azimut ou plusieurs antennes à lobe conformé, souvent à polarisation circulaire, un éventuel circulateur 30 et une voie de réception et une voie d'émission. Le poste comporte encore une chaine de synthèse 32-40 dont le pilote 32 n'a pas besoin d'être à très grande stabilité. La voie de réception a une constitution générale classique. Elle comprend un filtre passe-bande d'entrée 34 suivi d'un amplificateur 36. L'amplificateur est suivi d'étages de conversion de fréquence pouvant comprendre un premier mélangeur 38 qui reçoit un signal de conversion d'un synthétiseur de fréquence 40, un amplificateur logarithmique 42, un second multiplieur 44 et un filtre passe-bande 46. Le synthétiseur 40 reçoit un signal d'horloge généré à partir de l'horloge locale ayant une fréquence nominale déterminée, identique pour tous les postes, pouvant être resynchronisée sur un court préambule. La voie de réception est avantageusement munie de moyens de recalage de dynamique, permettant d'accepter un signal d'entrée d'amplitude instantanée très variable, par exemple dans une plage de 80 dB. Dans le cas illustré sur la figure 4, les étages FI sont équipés d'amplificateurs logarithmiques de manière à ce que la compression de dynamique soit contrôlée à très court terme. Le filtre passe-bande 46 peut être suivi d'un amplificateur 50 prévu pour la seconde fréquence intermédiaire FI2. A la sortie de l'amplificateur 50, le signal est échantillonné en 52 puis décodé en 74 afin de reconstituer un train de bits en sortie B1. La cadence d'échantillonnage est fixée par une unité logique 54. Cette unité logique remplit des fonctions de commande d'alternat (émission-réception), de pilotage du synthétiseur, de synchronisation au niveau du cycle par insertion ou prélèvement de quelques bits dans le préambule, de codage et de décodage au niveau canal de transmission ; enfin, cette unité logique peut assurer des fonctions complémentaires de gestion de seuils de fonctionnement de statuts et d'alarmes. La partie radio-fréquence de la voie d'émission comporte, à partir d'une entrée B2 qui reçoit les bits destinés à constituer les trames, un codeur 80 et un modulateur 56 relié à la chaine de synthèse 40. Le signal modulé est appliqué à un mélangeur 60 de transposition de fréquence, qui reçoit un signal provenant du synthétiseur 40, suivi d'un filtre passe-bande 62 et d'un amplificateur 64, muni d'une entrée de commande de puissance 65. On voit que les voies d'émission et de réception fonctionnent à la même fréquence de porteuse, ce qui permet un fonctionnement simple en demi-duplex à l'alternat. La description proposée mentionne un double changement de fréquence sur les chaines d'émission et de réception, mais il est clair que certaines utilisations peuvent se contenter d'un seul changement de fréquence ou travailler en modulation directe d'une source en émission (source GUNN par exemple). La synchronisation du signal d'horloge H fourni à l'échantillonneur 52 est assurée par l'unité logique 54. Une méthode de synchronisation consiste à suréchantillonner le signal reçu pendant un préambule 12, et à rechercher ensuite les conditions de phase de l'horloge qui permettent de reproduire au mieux le contenu attendu du préambule. Le modem peut être relié à la partie numérique directement ou par une liaison synchrone RS422A ou équivalent proche. La partie numérique du poste peut avoir des constitutions très variées. Mais dans tous les cas, elle comporte des moyens de traitement 66 ayant plusieurs fonctions, et notamment la constitution des cycles locaux, la sélection de la tranche d'insertion des messages et la prévention des collisions. Ces moyens de traitement peuvent être constitués par un microprocesseur ou un processeur spécialisé (RISC ou DSP) associé à une mémoire de programme 68. Suivant l'application envisagée, l'implémentation pourra être très différente. Dans le cas où le poste est prévu pour établir des liaisons vers et à partir d'une station de travail ou d'un micro-ordinateur, tel qu'un ordinateur personnel ayant une unité centrale 86, les fonctions de liaison au réseau radio peuvent être regroupées sur une carte électronique 88 implantée dans la machine. Cette carte peut même porter les composants du modem, exception faite de la tête haute fréquence. La carte reçoit par exemple les messages à transmettre d'une source locale 70 et restitue les messages reçus à une unité d'interface 72. La voie de réception peut comporter un contrôleur 76 qui traite les messages reçus au niveau de la couche 2 de la norme OSI (liaison de données), la référence de synchronisation de cycle nécessaire étant fournie par les moyens de traitement 66. Les données de message D fournies par le contrôleur 76 sont transférées par l'unité de traitement 66 à l'unité d'interface 72, sous forme d'un message restitué. La voie d'émission présente une constitution comparable à celle de la voie de réception : les données D et le signal de synchronisation de trame sont fournis par les moyens de traitement 66 à un contrôleur 78 qui assure le contrôle de ligne et le traitement au niveau de la couche 2 du protocole OSI. Le fonctionnement d'un tel système peut être contrôlé par des programmes inscrits dans la mémoire morte 68 et téléchargés dans la mémoire vive 69. Dans d'autres applications, notamment utilisables pour des liaisons de commandement, une fraction de la partie numérique peut être regroupée avec son logiciel dans un boîtier contenant le modem. L'unité ainsi constituée peut alors être reliée à des moyens informatiques par un réseau local. Dans tous les cas, le traitement des collisions peut utiliser le décadrage quasi aléatoire existant entre les cycles locaux et ceux des divers postes et en ne retenant que le premier poste ayant commencé son émission. Cela implique d'incorporer un détecteur rapide de présence de signal sur la voie de réception de chaque poste. La description précédente s'applique essentiellement aux communications en mode paquet. Les communications en mode circuit sont réalisées sur une voie supplémentaire des contrôleurs, à plus bas débit, désignés par 76a et 78a. Le prélèvement des informations en réception et l'insertion des informations en émission sont assurées au niveau des mémoires d'échange, par une gestion de piles multiples sous Accès Direct Mémoire (DMA). Cette méthode permet de ne pas surcharger le processeur de protocole 66. Pour le cas de la phonie, un codec adéquat (MIC ou vocodeur) peut être disposé sur la seconde voie du contrôleur, directement ou à travers une liaison série synchrone. REVENDICATIONS 1. Procédé de radio-communication entre des postes mobiles, à accès multiple à répartition dans le temps et adaptatif, suivant lequel on émet chaque communication sous forme d'un message numérique, à la cadence d'une horloge locale du poste d'émission, au cours de tranches temporelles appartenant à un cycle parmi des cycles successifs de même constitution, et on fait précéder le message, dans chaque tranche, d'un préambule de synchronisation bit, caractérisé en ce qu'on effectue la synchronisation de bit à la réception tranche par tranche, après un transitoire d'alignement de la dynamique du signal et d'acquisition du préambule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue une synchronisation au niveau du format en élaborant un cycle local par comptage de l'horloge locale et en recalant ce cycle local sur une référence élaborée statistiquement à partir de ceux des postes du même réseau qui sont perçus par le récepteur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on définit localement le cycle courant local à partir de l'identification de la première tranche du cycle reçue, et de l'enchaînement des tranches ultérieures par comptage à partir de l'horloge locale et on recale le cycle courant chaque fois que la dérive dépasse un seuil déterminé. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on évalue un cycle de consigne par calcul statistique, en écoutant la totalité des tranches émises sur le réseau en dehors des tranches d'émission, en détectant les instants de passage d'une tranche à une autre, et en calculant une moyenne pondérée de l'activité en réception des postes occupant les tranches, activité codée dans un champ spécifique du message d'émission, et on effectue le recalage du cycle courant local sur le cycle de consigne en jouant sur la durée de l'intervalle de garde entre les tranches du cycle courant local. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on insère celles des communications qui sont constituées par des paquets de données, au fur et à mesure de leur production et de la disponibilité de tranches d'émission, par compétition avec résolution des conflits d'accès à chaque tranche en faveur du premier poste mobile qui émet, et celles des communications qui sont à flot continu par réservation de tranches prédéfinies suivant une règle de répartition déterminée dans les cycles successifs une fois la communication initialisée. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on cumule réservation d'abord et compétition ensuite pour des postes identifiés d'un même groupe, plusieurs groupes pouvant cohabiter sur un même réseau, ainsi que plusieurs mécanismes d'accès fonctionnant en parallèle. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on cumule un mécanisme de réservation à un premier niveau, pour un groupe de postes identifiés, et un mécanisme de compétition à un second niveau, pour gérer les accès aux tranches réservées entre les membres du groupe. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que plusieurs mécanismes d'accès par compétition fonctionnent en parallèle, et portent sur des réservations différentes. 9. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'avant d'émettre, on choisit la ou les tranches d'insertion parmi celles déclarées inoccupées par un calcul effectué localement et pondéré sur plusieurs cycles antérieurs successifs, ce qui introduit un effet de mémoire plus important pour l'accès en mode circuit que pour l'accès en mode paquets. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'effet de mémoire est choisi plus réduit pour la compétition en mode paquet que pour la réservation en mode circuit. 11. Poste émetteur-récepteur pour mobile destiné à des radio-communications à courte distance à accès multiple à répartition dans le temps suivant lequel chaque message est transmis sous forme numérique au cours de tranches temporelles isolées ou réparties de façon déterminée au cours de cycles successifs, comprenant une partie numérique et un modem radio qui regroupe une voie d'émission et une voie de réception, la voie d'émission étant prévue pour insérer des communications de données qui travaillent en mode paquet, au fur et à mesure de leur production et de la disponibilité de tranches d'émission, avec résolution des conflits d'accès à chaque tranche en faveur du premier poste mobile qui émet, et pour insérer d'autres communications qui travaillent en mode circuit, par réservation de tranches obéissant à une règle prédéterminée de répartition au cours des cycles successifs, une fois la communication initialisée.