Radio par paquets

En radio numérique , la radio par paquets est l'application des techniques de commutation de paquets aux communications radio numériques. La radio par paquets utilise un protocole de commutation de paquets par opposition aux protocoles de commutation de circuits ou de commutation de messages pour transmettre des données numériques via une liaison de communication radio .

La radio par paquets est fréquemment utilisée par les opérateurs radioamateurs . Le protocole AX.25 (Amateur X.25) est dérivé du protocole de couche de liaison de données X.25 et adapté à l'utilisation de la radio amateur. Chaque paquet AX.25 comprend l'indicatif d'appel radio amateur de l'expéditeur, qui satisfait aux exigences de la FCC américaine pour l'identification des stations radio amateur. AX.25 permet à d'autres stations de répéter automatiquement les paquets pour étendre la portée des transmissions. Il est possible pour n'importe quelle station de paquets d'agir comme un digipeater , reliant des stations distantes entre elles via des réseaux ad hoc . Cela rend la radio par paquets particulièrement utile pour les communications d'urgence.

La radio par paquets peut être utilisée dans les communications mobiles . Certaines stations de radio par paquets mobiles transmettent périodiquement leur position à l'aide du système de rapport automatique de paquets (APRS). Si le paquet APRS est reçu par une station « i-gate », les rapports de position et autres messages peuvent être acheminés vers un serveur Internet et rendus accessibles sur une page Web publique. Cela permet aux opérateurs radioamateurs de suivre les emplacements des véhicules, des randonneurs, des ballons à haute altitude, etc., ainsi que la télémétrie et d'autres messages dans le monde entier.

Certaines implémentations de radio par paquets utilisent également des liaisons point à point dédiées telles que TARPN. Dans des cas comme celui-ci, de nouveaux protocoles ont vu le jour, comme le protocole IL2P ( Improved Layer 2 Protocol ), qui prend en charge la correction d'erreur directe pour les liaisons à signaux bruyants et faibles.

Les premiers modes de communication radio numérique étaient la télégraphie (utilisant le code Morse ), le téléimprimeur (utilisant le code Baudot ) et le fac-similé .

Les circuits radio possédant par nature une topologie de réseau de diffusion (c'est-à-dire que de nombreux ou tous les nœuds sont connectés au réseau simultanément), l'un des premiers défis techniques rencontrés lors de la mise en œuvre des réseaux radio par paquets était de trouver un moyen de contrôler l'accès à un canal de communication partagé pour éviter les collisions de signaux. Le professeur Norman Abramson de l' Université d'Hawaï a dirigé le développement d'un réseau radio par paquets connu sous le nom d' ALOHAnet et a réalisé un certain nombre d'expériences à partir des années 1970 pour développer des méthodes permettant d'arbitrer l'accès à un canal radio partagé par les nœuds du réseau. Ce système fonctionnait sur des fréquences UHF à 9 600 bauds. De ces travaux est né le protocole d'accès multiple Aloha . Les améliorations ultérieures apportées aux techniques d'accès aux canaux par Leonard Kleinrock et al. en 1975 ont conduit Robert Metcalfe à utiliser des protocoles d'accès multiple par détection de porteuse (CSMA) dans la conception de la technologie de réseau local Ethernet (LAN) désormais courante.

Entre 1973 et 1976, la DARPA a créé un réseau de radiocommunications par paquets appelé PRNET dans la région de la baie de San Francisco et a mené une série d'expériences avec le SRI pour vérifier l'utilisation des protocoles de communication ARPANET (un précurseur d' Internet ) (plus tard connus sous le nom d'IP ) sur des liaisons radio par paquets entre des nœuds de réseau fixes et mobiles. Ce système était assez avancé, car il utilisait la modulation à étalement de spectre à séquence directe (DSSS) et les techniques de correction d'erreur directe ( FEC ) pour fournir des canaux de données à 100 kbit/s et 400 kbit/s. Ces expériences ont été généralement considérées comme réussies et ont également marqué la première démonstration de l'interconnexion de réseaux , car dans ces expériences, les données étaient acheminées entre les réseaux ARPANET, PRNET et SATNET (un réseau de radiocommunications par paquets par satellite). Tout au long des années 1970 et 1980, la DARPA a exploité un certain nombre de réseaux de radiocommunications par paquets terrestres et par satellite connectés à l'ARPANET dans diverses installations militaires et gouvernementales.

Les opérateurs radio amateurs ont commencé à expérimenter la radio par paquets en 1978, lorsque, après avoir obtenu l'autorisation du gouvernement canadien, Robert Rouleau, VE2PY; Bram Frank, VE2BFH; Norm Pearl, VE2BQS; et Jacques Orsali, VE2EHP du Club de radio amateur de Montréal , au Québec , ont commencé à expérimenter la transmission de données codées ASCII sur des fréquences radio amateur VHF en utilisant du matériel fabriqué maison. En 1980, Doug Lockhart VE7APU et le Vancouver Area Digital Communications Group (VADCG) à Vancouver , en Colombie-Britannique, ont commencé à produire du matériel standardisé ( Terminal Node Controllers ) en quantité pour une utilisation dans les réseaux de radio amateur par paquets. En 2003, Rouleau a été intronisé au Temple de la renommée du magazine CQ Amateur Radio pour son travail sur le Protocole de Montréal en 1978.

Peu de temps après le début de cette activité au Canada, les amateurs aux États-Unis se sont intéressés à la radio par paquets. En 1980, la Federal Communications Commission (FCC) des États-Unis a accordé l'autorisation aux amateurs américains de transmettre des codes ASCII via la radio amateur. Des répéteurs peuvent être conçus pour la radio par paquets amateur, ceux-ci sont surnommés « digipeaters ». La première activité connue de radio par paquets amateur aux États-Unis a eu lieu à San Francisco en décembre 1980, lorsqu'un répéteur de paquets a été mis en service sur 2 mètres par Hank Magnuski KA6M et la Pacific Packet Radio Society (PPRS). Conformément à la domination de la DARPA et de l'ARPANET à l'époque, le réseau naissant de radio par paquets amateur a été surnommé AMPRNet dans le style de la DARPA. Magnuski a obtenu des allocations d'adresses IP dans le réseau 44.0.0.0 / 8 pour une utilisation radio amateur dans le monde entier.

De nombreux groupes d'opérateurs radio amateurs intéressés par la radio par paquets se sont rapidement formés dans tout le pays, notamment la Pacific Packet Radio Society (PPRS) en Californie , la Tucson Amateur Packet Radio Corporation (TAPR) en Arizona et l'Amateur Radio Research and Development Corporation (AMRAD) à Washington, DC

En 1983, TAPR proposait le premier TNC disponible sous forme de kit. La radio par paquets a commencé à devenir de plus en plus populaire en Amérique du Nord et en 1984, les premiers systèmes de tableau d'affichage par paquets ont commencé à apparaître. La radio par paquets a prouvé sa valeur pour les opérations d'urgence après le crash d'un avion de ligne Aeromexico dans un quartier de Cerritos, en Californie , en août 1986. Des volontaires ont relié plusieurs sites clés pour transmettre le trafic de texte via la radio par paquets, ce qui a permis de maintenir les fréquences vocales claires.

Pour une description objective des premiers développements de la radio amateur par paquets, reportez-vous à l'article « Packet Radio in the Amateur Service ».

La radio par paquets peut être différenciée des autres schémas de commutation radio numérique par les attributs suivants :

• Les données transmises sont divisées en paquets, chacun contenant une adresse de destination (et généralement la source)
• Un message transmis peut être divisé en une séquence de paquets avant la transmission, qui sont ensuite réassemblés dans le message d'origine lors de la réception.
• Les paquets destinés à plusieurs destinations peuvent être transmis sur la même liaison radio de manière asynchrone
• Un paquet peut être adressé à tous les destinataires possibles plutôt qu'à un destinataire spécifique ( diffusion ).
• Un paquet peut être stocké puis transmis vers sa destination par un nœud de réseau

Cela ressemble beaucoup à la manière dont les paquets de données sont transférés entre les nœuds sur Internet .

L'un des premiers défis auxquels sont confrontés les amateurs qui mettent en œuvre la radio par paquets est que presque tous les équipements radio amateurs (et la plupart des équipements commerciaux/militaires excédentaires) ont historiquement été conçus pour transmettre la voix, et non les données. Comme tout autre système de communication numérique qui utilise des supports analogiques, les systèmes de radio par paquets nécessitent un modem. Comme l'équipement radio à utiliser avec le modem était destiné à la voix, les premiers systèmes de radio par paquets amateurs utilisaient des modems AFSK qui suivaient les normes téléphoniques (notamment la norme Bell 202 ). Bien que cette approche ait fonctionné, elle n'était pas optimale, car elle utilisait un canal FM de 25 kHz pour transmettre à 1 200 bauds. Lorsqu'on utilise une modulation FSK directe comme le modem radio par paquets de G3RUH, une transmission à 9 600 bauds est facilement réalisée dans le même canal. De plus, les caractéristiques de bande de base du canal audio fourni par les radios vocales sont souvent très différentes de celles des canaux audio téléphoniques. Cela a conduit à la nécessité dans certains cas d'activer ou de désactiver les circuits de préaccentuation ou de désaccentuation dans les radios et/ou les modems.

Un autre problème rencontré par les premiers « paqueteurs » était celui du transfert de données asynchrone ou synchrone . À l'époque, la plupart des ordinateurs personnels étaient équipés de ports série RS-232 asynchrones pour les communications de données entre l'ordinateur et des périphériques tels que des modems. La norme RS-232 spécifie un mode de transmission de données asynchrone, de type start-stop, dans lequel les données sont envoyées par groupes (caractères) de 7 ou 8 bits. Malheureusement, les modems AFSK simples généralement utilisés ne fournissent aucun signal de synchronisation pour indiquer le début d'une trame de paquet . Il a donc fallu mettre en place un mécanisme permettant au récepteur de savoir quand commencer à assembler chaque trame de paquet. La méthode utilisée est appelée cadrage asynchrone . Le récepteur recherche l'« octet de limite de trame », puis commence à décoder les données du paquet qui le suivent. Un autre octet de limite de trame marque la fin de la trame de paquet.

Un certain nombre de « conversations » de données sont possibles sur un seul canal radio sur une période finie.

Une station de radio par paquets de base se compose d'un ordinateur ou d'un terminal non fonctionnel, d'un modem et d'un émetteur-récepteur avec une antenne . Traditionnellement, l'ordinateur et le modem sont combinés dans une seule unité, le contrôleur de nœud terminal (TNC), avec un terminal non fonctionnel (ou émulateur de terminal ) utilisé pour saisir et afficher les données. De plus en plus, les ordinateurs personnels prennent en charge les fonctions du TNC, le modem étant soit une unité autonome, soit entièrement implémenté dans un logiciel . Alternativement, plusieurs fabricants (dont Kenwood et Alinco) commercialisent désormais des radios portables ou mobiles avec TNC intégrés, permettant une connexion directe au port série d'un ordinateur ou d'un terminal sans autre équipement requis. L'ordinateur est responsable de la gestion des connexions réseau, du formatage des données sous forme de paquets AX.25 et du contrôle du canal radio. Il fournit souvent également d'autres fonctionnalités, comme un simple système de tableau d'affichage pour accepter les messages lorsque l'opérateur est absent.

En suivant le modèle OSI , les réseaux radio par paquets peuvent être décrits en termes de protocoles de couche physique , de liaison de données et de couche réseau sur lesquels ils s'appuient.