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Rappels techniques sur les réseaux cellulaires : L’histoire des réseaux mobiles

Rappels techniques sur les réseaux cellulaires : L’histoire des réseaux mobiles est relativement récente puisque l’ouverture commerciale du premier réseau mobile fut annoncée en 1979 au Japon. Jusque-là, l’état de l’art en matière d’électronique et de micro-ondes n’autorisait pas l’émission/réception radio avec un équipement portable. Les progrès majeurs réalisés dans ces domaines ont permis de réduire de manière drastique la taille des terminaux. Les réseaux mobiles sont tous basés sur ce concept de cellule, c’est pourquoi ils sont aussi appelés réseaux cellulaires. Une cellule est contrôlée par un émetteur/récepteur appelé station de base, qui assure la liaison radio avec les terminaux mobiles sous sa zone de couverture. La couverture d’une station de base est limitée par plusieurs facteurs, notamment :  la puissance d’émission du terminal mobile et de la station de base ;  la fréquence utilisée ;  le type d’antennes utilisé à la station de base et au terminal mobile ;  l’environnement de propagation (urbain, rural, etc.). Une cellule est communément représentée sous la forme d’un hexagone ; en effet, l’hexagone est le motif géométrique le plus proche de la zone de couverture d’une cellule qui assure un maillage régulier de l’espace. Dans la réalité, il existe bien entendu des zones de recouvrement entre cellules adjacentes, qui créent de l’interférence intercellulaire. L’architecture d’un réseau mobile inclut trois entités fonctionnelles :  le terminal mobile, appelé aussi équipement utilisateur (ou usager), abrégé en UE (User Equipment) ;  le réseau d’accès ou RAN (Radio Access Network) ;  le réseau cœur ou CN (Core Network). On distingue également deux domaines :  le domaine de l’UE, qui inclut les équipements propres à l’utilisateur ;  le domaine de l’infrastructure, constitué des équipements propres à l’opérateur. La figure suivante présente la structure d’un réseau mobile. L’UE fait partie du domaine de l’équipement utilisateur et est interconnecté au réseau d’accès par l’intermédiaire de l’interface radio. L’élément d’interconnexion du réseau d’accès avec l’interface radio est la station de base. Le réseau d’accès et le réseau coeur sont rattachés au domaine de l’infrastructure et sont interconnectés par une ou plusieurs interfaces terrestres. La liaison entre l’UE et la station de base est spécifique au sens de transmission entre ces deux entités. En effet, l’UE dispose typiquement d’une puissance d’émission inférieure à celle de la station de base, d’antennes moins performantes et de ressources de calcul moindres, qui limitent la complexité des traitements du signal mis en oeuvre. On distingue ainsi deux voies de communication :  la voie montante ou UL (UpLink), où l’UE transmet vers la station de base ;  la voie descendante ou DL (DownLink), où la station de base transmet vers l’UE. Un autre élément caractérisant un système mobile est la technique de séparation entre la voie montante et la voie descendante. Cette technique est aussi appelée le duplexage. Deux modes de duplexage sont possibles.  Dans le duplexage en fréquence ou mode FDD (Frequency Division Duplex), les voies montante et descendante opèrent sur des fréquences différentes.  Dans le duplexage en temps ou mode TDD (Time Division Duplex), les voies montante et descendante opèrent sur les mêmes fréquences mais sont séparées dans le temps. Le mode TDD requiert une synchronisation temporelle entre les stations de base, exigence parfois complexe à garantir d’un point de vue opérationnel. La Première Génération des Téléphones Mobiles (1G) La Première Génération des Téléphones Mobiles est apparue dans le début des années 80 en offrant un service médiocre et très couteux de communication mobile. La 1G avait beaucoup de défauts, comme les normes incompatibles d'une région à une autre, une transmission analogique non sécurisée (écouter les appels), pas de roaming vers l'international. Les premiers réseaux téléphoniques cellulaires, connus sous le terme de système de 1ère génération, utilisaient des canaux de trafic analogiques Au début des années 80, le système de 1ère génération le plus répandu en Amérique du Nord a été AMPS (Advanced Mobile Phone Service). 2 bandes de 25 Mhz sont allouées à l'AMPS  Une bande pour les transmissions des stations de base vers les mobiles,  l'autre pour les transmissions des mobiles vers les stations de base Chacune de ces bandes est divisée en 2 pour encourager la concurrence Chaque opérateur reçoit donc seulement une bande de 12,5 Mhz dans chaque direction Les canaux sont espacés de 30 kHz, ce qui autorise un total de 416 canaux par opérateur dont 21 sont dédiés au contrôle Les canaux de contrôle sont des canaux de données opérant à 10 kbit/s Les canaux voix transportent les communications par signaux analogiques modulés en fréquence  Bande de transmission de station de base: 869 à 894 MHz  Bande de transmission du mobile: 824 à 849 MHz Espacement entre canaux montant et descendant: 45 MHz Largeur de bande d'un canal: 30 kHz Puissance maximale du mobile: 3 W Taille d'une cellule: 2 à 20 km Débit de transmission: 10 kbit/s Type de modulation : FM avec une porteuse de 8KHz. Type de multiplexage : FDMA La Deuxième Génération des Téléphones Mobiles (GSM) Le GSM est apparu dans les années 90. Il s'agit de la norme 2G. Son principe, est de passer des appels téléphoniques, s'appuyant sur les transmissions numériques permettant une sécurisation des données (avec cryptage), il a connu un succès et a permis de susciter le besoin de téléphoner en tout lieu avec la possibilité d'émettre des minimessages (SMS, limités à 80 caractères). Ainsi qu'il autorise le roaming entre pays exploitant le réseau GSM. Devant le succès, il a fallu proposer de nouvelles fréquences aux opérateurs pour acheminer toutes les communications, et de nouveaux services sont aussi apparus, comme le MMS. Le débit de 9.6 kbps proposé par le GSM est insuffisant, dans ce concept, ils ont pensaient à développer de nouvelles techniques de modulations et de codages qui ont permis d'accroitre le débit pour la nouvelle génération. Débit max. de 9600 bits/s Mode commutation de circuit Repose sur une technologie numérique Un téléphone = un terminal + une carte à puce Succès international : présence dans de nombreux pays.... Rayon de cellule : 0.3 à 30 Km Type de multiplexage : TDMA Type de modulation : GMSK Largeur de canaux : 200 KHz Nombre de canaux : 124 Nombre d’intervalles de temps par trame TDMA : 8 Multiplexage TDMA : Le TDMA permet de travailler a plusieurs émetteurs sur la même fréquence. Chaque émetteur émet successivement son signal et nécessite une bonne gestion des périodes d’émission. En plus de la séparation de fréquence, GSM utilise la séparation de temps, TDMA (Time Divided Multiple Access), TDMA permet à plusieurs utilisateurs d'occuper le même canal radio. Les utilisateurs seront décalés dans le temps, mais utilisent toujours le même canal radio de 200 kHz. Le spectre radioélectrique dans GSM (900) est séparé en 124 canaux radio, chacun de ces canaux radio étant ensuite séparé en huit canaux divisés en temps appelés intervalles de temps (TSL). Chaque intervalle de temps de trame TDMA est constitué de 156,25 bits, parmi lesquels 114 (2 à 57) sont des données codées, y compris la correction. Toutes les informations transmises sont transférées en blocs de 456 bits, répartis en quatre périodes de créneaux temporels (456 = 4 * 2 * 57). Le débit net maximal par tranche de temps est de 13 kbps, à l'exclusion de la correction d'erreur. A la réception, il suffit d’utiliser un commutateur qui passe d’un utilisateur au suivant tous les Time Slot. La modulation GMSK : Dans le domaine des télécommunications, on cherche le plus souvent à concentrer le maximum de puissance autour de la porteuse et donc de minimiser l’encombrement spectral. Dans le cas des modulations FSK il est donc important de regarder l’importance des lobes secondaires. Parmi les différents indices de modulations, le procédé de modulation MSK (x=0,5) présente des lobes secondaires relativement atténués. Lorsque les données sont traitées par un filtre passe bas de type gaussien, la modulation MSK prend le nom de GMSK, Gaussian Minimum Shift Keying. Si le lobe central est conservé, les lobes latéraux ont pratiquement disparu. Ce type de modulation de fréquence fonctionne dans la téléphonie GSM (ou 2G) avec D » 271kbit/s; 99% de la puissance est concentrée dans une bande de 250kHz. L'efficacité spectrale est voisine de 1,3bit/s.Hz L’architecture du GSM : Le Réseau GSM a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC). Il se distingue par un accès spécifique appelé la liaison radio. La figure 1 présente l'architecture du Réseau GSM. La station mobile : La Mobile Station (MS) est composée du Mobile Equipment (le terminal GSM) et du Subscriber Identity Module (SIM), une petite carte douée de mémoire et de microprocesseur, qui sert à identifier l'abonné indépendamment du terminal employé; il est donc possible de continuer à recevoir et à émettre des appels et d'utiliser tous ces services simplement grâce à l'insertion de la carte SIM dans un terminal quelconque. Le Mobile Equipment est identifié (exclusivement) à l'intérieur de n'importe quel réseau GSM par uploads/Ingenierie_Lourd/ les-differentes-generations.pdf