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Réseaux Cellulaires

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Houda KHEDHER
Réseaux cellulaires : principes et
normes
Copies des transparents du cours
ESPRIT
Année : 2012 / 2013
Houda KHEDHER 2
De quoi allons nous parler ?
• Historique et panorama des réseaux mobiles
• Propagation en environnement radio-mobile
• Accès au canal radio
• Signalisation
• Le système GSM
• Gestion de la mobilité réseau
• Gestion de la mobilité radio dans les réseaux
de générations 2, 2.5 et 3
• Introduction au système GPRS
• Introduction au système UMTS
Houda KHEDHER
Panorama des réseaux mobiles
Historique : Évolution des communications mobiles
Typologie des réseaux mobiles
Houda KHEDHER 4
Historique (1)
• 1678: Travaux de Huygens sur les phénomènes de réflexion et de réfraction de
la lumière
• 1818: Fresnel démontre la nature ondulatoire de la lumière
• 1831 : Michael Faraday (induction électro-magnétique)
• 1867 : James Clerk Maxwell (équations électricité-magnétisme)
• 1876: Invention du téléphone par Graham Bell
• 1887: Heinrich Rudolph Hertz (découverte des ondes hertziennes et mise en
évidence de la théorie de Maxwell)
• 1896: Guglielmo Marconi (télégraphe sans fil)
• 1901 : Télégraphie sans fil (point-à-point)
• 1921 : Télégraphie sans fil (point-à-multipoint)
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Historique (2)
Téléphonie sans-fil
• 1899-1902 : Téléphonie half-duplex (applications militaires)
• 1928 : Téléphonie unidirectionnelle sans-fil
• 1945 : Téléphonie half-duplex (applications civiles)
• 1940-50 : Réseaux mobiles  Systèmes de diffusion (radio et
TV)
 Émetteurs couvrant plusieurs dizaines de kilomètres :
 puissants,
 Placés sur des sites élevés.
 Premiers systèmes semi-cellulaires : pas de mobilité, grandes
zones, faible capacité, …
 Génération « 0 »
Houda KHEDHER 6
Historique (3)
Réseaux cellulaires
Concept cellulaire : recouvrement des cellules avec modulation analogique
• Fins des années 1940 (Bell Labs)
• Congestion de fréquences
• 1960-70 : augmentation de la demande
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  • 1. Houda KHEDHER Réseaux cellulaires : principes et normes Copies des transparents du cours ESPRIT Année : 2012 / 2013
  • 2. Houda KHEDHER 2 De quoi allons nous parler ? • Historique et panorama des réseaux mobiles • Propagation en environnement radio-mobile • Accès au canal radio • Signalisation • Le système GSM • Gestion de la mobilité réseau • Gestion de la mobilité radio dans les réseaux de générations 2, 2.5 et 3 • Introduction au système GPRS • Introduction au système UMTS
  • 3. Houda KHEDHER Panorama des réseaux mobiles Historique : Évolution des communications mobiles Typologie des réseaux mobiles
  • 4. Houda KHEDHER 4 Historique (1) • 1678: Travaux de Huygens sur les phénomènes de réflexion et de réfraction de la lumière • 1818: Fresnel démontre la nature ondulatoire de la lumière • 1831 : Michael Faraday (induction électro-magnétique) • 1867 : James Clerk Maxwell (équations électricité-magnétisme) • 1876: Invention du téléphone par Graham Bell • 1887: Heinrich Rudolph Hertz (découverte des ondes hertziennes et mise en évidence de la théorie de Maxwell) • 1896: Guglielmo Marconi (télégraphe sans fil) • 1901 : Télégraphie sans fil (point-à-point) • 1921 : Télégraphie sans fil (point-à-multipoint)
  • 5. Houda KHEDHER 5 Historique (2) Téléphonie sans-fil • 1899-1902 : Téléphonie half-duplex (applications militaires) • 1928 : Téléphonie unidirectionnelle sans-fil • 1945 : Téléphonie half-duplex (applications civiles) • 1940-50 : Réseaux mobiles  Systèmes de diffusion (radio et TV)  Émetteurs couvrant plusieurs dizaines de kilomètres :  puissants,  Placés sur des sites élevés.  Premiers systèmes semi-cellulaires : pas de mobilité, grandes zones, faible capacité, …  Génération « 0 »
  • 6. Houda KHEDHER 6 Historique (3) Réseaux cellulaires Concept cellulaire : recouvrement des cellules avec modulation analogique • Fins des années 1940 (Bell Labs) • Congestion de fréquences • 1960-70 : augmentation de la demande Densification  Utilisation poussée du concept cellulaire  Introduction du transfert inter/intracellulaire (Handover) Réseaux de première génération
  • 7. Houda KHEDHER 7 Historique (4) Services RNIS radio-mobiles • 1991 : GSM (téléphonie, données faible débit, SMS, services supplémentaires, …) Réseaux de téléphonie mobile numérique : 2G Emergence des données mobiles : Transmission de données paquet  CDPD (Cellular Digital Packet Data), GPRS (General Packet Radio Service), P-PDC : Données paquet sur l’interface radio Réseaux de génération 2,5 G Services multimédia : MMS, WAP (Wireless Application Protocol), I- Mode (WAP à la mode Japonaise), …
  • 8. Houda KHEDHER 8 Historique (5) Multimédia mobile (3G) IMT-2000 : Internet + GSM  Services mobiles multimédia haut débit  2 Mb/s en indoor, mobilité réduite (10 km/h)  384 kb/s en outdoor urbain (120 km/h)  144 kb/s en outdor rural, mobilité importante  Qualité de service variable (BER : 10 -3 – 10-6, délais : 30-300 ms)  Transmission asymétrique et à débit variable  Services multiples par usager   Parole   Données   Vidéo   Multimédia L’accès sans fil aux réseaux 4G : Très hauts débits pour l’Internet haut débit, la TV, des réseaux tout-IP
  • 9. Houda KHEDHER 9 Objectifs des réseaux mobiles • Offrir une large couverture – Génération 0: une ville – Génération 1: un pays – Génération 2: un continent – Génération 3: le monde • Offrir un service à de nombreux usagers • Intégrer de plus en plus de services
  • 10. Houda KHEDHER Evolution du marché Source : Ericsson 10
  • 11. Houda KHEDHER 11 Principaux intervenants du secteur des mobiles (1) Constructeurs (équipementiers) - Infrastructure réseau - Infrastructure radio - Terminaux Opérateurs - Publics - Privés Régulateur - Gestion des ressources rares - Contrôle des obligations des opérateurs,…
  • 12. Houda KHEDHER 12 Principaux intervenants du secteur des mobiles (2) Fournisseurs de services Distributeurs ou Sociétés de Commercialisation de Services - Subvention des terminaux - Lignes, cartes de recharge Installateurs - Déploiement d’équipements - Maintenance Législateur
  • 13. Houda KHEDHER Typologie des réseaux radio-mobiles
  • 14. Houda KHEDHER 14 Classification des systèmes radio-mobiles • Systèmes cellulaires (cellular systems) – GSM, UMTS, IS-95 • Téléphones sans cordon (cordless phones) – CT-2, DECT (Europe), PHS (Japon) • Systèmes de radiocommunications professionnelles (PMR : private mobile radio) • Radiomessagerie unilatérale (paging systems) • Systèmes par satellites (satellite systems) • Systèmes réservés à la transmission de données (mobile data systems)
  • 15. Houda KHEDHER 15 Les systèmes radio-mobiles
  • 16. Houda KHEDHER Générations et normes de réseaux mobiles
  • 17. Houda KHEDHER 17 Réseaux de mobiles et cellulaires • Qu’est ce qu’un réseau de mobiles? Ensemble des équipements terminaux mobiles qui utilisent la voie hertzienne pour communiquer • Qu’est ce qu’un réseau cellulaire? Réseau constitué de cellules, ou zones géographiques, dont tous les points peuvent être atteints à partir d’une même antenne
  • 19. Houda KHEDHER Architecture générale d’un réseau radio-mobile 19
  • 21. Houda KHEDHER 21 Éléments d’un système de communications radio (1)    Sous-système réseau Sous-système radio Sous-système de contrôle RTCP    Terminaux fixes Terminaux mobiles
  • 22. Houda KHEDHER Éléments d’un système de communications radio (2) • Sous-système radio (BSS, Base-Station SubSystem) : c’est le réseau d’accès radio qui assure l’émission et la réception des appels et gère la ressource radio. • Sous-système réseau (NSS, Network Subsystem): comprend l’ensemble des fonctions nécessaires à l’établissement des appels et à la gestion de la mobilité, routage des appels, stockage et mise à jour des données des abonnés, connecté au RTCP par des commutateurs passerelle • Sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS, Operation subsystem): supervision et contrôle des sous- systèmes radio et réseau. Centralise la commande de l’opérateur
  • 24. Houda KHEDHER 24 Systèmes cellulaires (1) BSMS    Architecture cellulaire
  • 25. Houda KHEDHER 25 Systèmes cellulaires (2)
  • 26. Houda KHEDHER 26 Systèmes cellulaires (3) Spécificités des systèmes cellulaires Gestion de la mobilité des abonnés Gestion de l’interface radio
  • 27. Houda KHEDHER 27 Évolution des générations de réseaux cellulaires (1) 1980 1990 2000 2010 2020 Fonctionnalités 4G 1G 2G 3G Téléphonie mobile Technologie cellulaire analogique Cellules macro Voix, messagerie et services de données PCS et cellulaire numérique Macro, mini, micro et pico cellules Services de données haut débit Services multimédia bande étroite et large bande Global, macro, micro et pico cellules Spectre plus large Très hauts débits Multimédia
  • 28. Houda KHEDHER 28 Évolution des générations de réseaux cellulaires (2) Analogique AMPS, NMT, NTT 1G Numérique GSM, PDC, IS-95, … 2G Données < 300b/s 9,6-64 kb/s (paquet) Numérique haut débit IMT 2000 3G 4G 64-384 kb/s (outdoor) 2 Mb/s (indoor) 2 Mb/s (best effort/indoor)
  • 36. Houda KHEDHER 36 Concept cellulaire (1) Problème de base = comment :  Desservir une région de taille importante (pays, continent),  Avec une largeur de bande limitée,  Avec une densité d’usagers importante ou qui peut augmenter ? Concept cellulaire
  • 37. Houda KHEDHER 37 Concept cellulaire (2) • Pourquoi le recours au concept cellulaire? – Pénurie des ressources radio Nombre de canaux limité – Les premiers réseaux mobiles se composent de quelques émetteurs qui couvrent des zones importantes et non interconnectées Communications interrompues – Déploiement à l’échelle d’un pays ou d’un continent d’un système à grande capacité  Concept cellulaire • Principales fonctions d’un système cellulaire – Traitement d’appel – Gestion de la localisation – Maintien de la communication en cours de déplacement – Authentification et sécurité des informations transmises
  • 38. Houda KHEDHER 38 Concept cellulaire (3) • Principe d’un système cellulaire – Chaque opérateur dispose: • d’une zone à couvrir Zone découpée en petits territoires appelés cellules 1 cellule  plusieurs canaux de la bande Une cellule est desservie par une station de base (BS ou Base Station) qui fait l’interface entre le réseau filaire et l’abonné mobile • d’une bande de fréquences duplex 1 bande = plusieurs canaux duplex 1 canal = 1 communication unique
  • 40. Houda KHEDHER 40 Intérêt du concept cellulaire R F Zone A Cluster r f1 f2 f3 f4f5 f6 f7 Zone A  1er cas : R = 10 Km avec N = 7 fréquences  7 communications simultanées  2ème cas : r = 500m  (R2/r2) = 400 communications
  • 41. Houda KHEDHER 41 Réutilisation de fréquences Concept cellulaire  Changement dynamique de fréquence pour un mobile pendant une communication en fonction de ses déplacements dans le réseau  Handover (transfert intra/inter cellulaire)  Réutilisation de fréquences (sans créer d’interférences) dans des cellules suffisamment éloignées l’une de l’autre Mécanisme de réutilisation des fréquences :  Repose sur la propriété d’atténuation des signaux avec la distance  Cellules utilisant la même fréquence (= Co-cellules)  augmenter le nombre de communications simultanées dans le réseau  fournir potentiellement une capacité illimitée avec des bandes de fréquences peu importantes
  • 42. Houda KHEDHER 42 Distance de réutilisation D R
  • 43. Houda KHEDHER 43 Notion de cluster (1) • Le plus petit groupe de cellules utilisant l'ensemble de la bande de fréquence du système est appelé motif (ou cluster). Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir Exemple de motif à 7 cellules f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7
  • 44. Houda KHEDHER 44 Notion de cluster (2) Motif hexagonal :  Placement optimal des stations de base, permet un recouvrement régulier,  Hexagone régulier : figure géométrique permettant un pavage facile, le plus proche de la forme circulaire (forme idéale)  Représentation circulaire peu pratique : un pavage en disques fait apparaître des zones de recouvrement ou de trous de couverture  Motif hexagonal  nombre plus faible de cellules et donc moins de sites (un système basé sur des cellules hexagonales coûte moins cher qu’un système basé sur des cellules triangulaires ou carrées)
  • 45. Houda KHEDHER 45 Exemples de motifs à 3, 4 et 7 cellules  Problème : interférence co-canal
  • 46. Houda KHEDHER 46 Nombre de cellules par Cluster (1)
  • 47. Houda KHEDHER 47 Nombre de cellules par Cluster (2) • N = i2 + ij + j2 avec i et j entiers naturels positifs ou nuls • Les clusters peuvent être constitués de 1, 3, 4, 9, 12, 13, 16, 19, 21…cellules • Pour les réseaux analogiques : Motif 7/21 un bloc de 7 sites incluant 3 cellules par site • Pour le cas des réseaux numériques tel que le GSM le motif 4/12 est utilisé. 1 2 3 4 1 3 7 13 21 2 7 12 19 28 3 13 19 27 37 4 21 28 37 48
  • 48. Houda KHEDHER 48 Y’2 x’1 x’2 x2 x1y2 y’1 y1 y x’ x U
  • 49. Houda KHEDHER 49 Nombre de cellules par Cluster (3) • Motif 4/12
  • 50. Houda KHEDHER 50 Sectorisation des cellules (1) • Entretien des BTS : coût élevé • Réduction du nombre de sites – antenne directrice couvrant une cellule hexagonale depuis l’un des coins – En un coin, 3 BTS couvrant 3 cellules • Sectorisation 120° ou 60°
  • 51. Houda KHEDHER 51 Sectorisation des cellules (2) Cellule tri-sectorielle Cellule 6-sectorielle
  • 52. Houda KHEDHER 52 Schéma de sectorisation • Motif 4/12
  • 53. Houda KHEDHER 53 Combinaisons motifs/secteurs 1 2 3 7 4 5 12 8 6 9 11 10 1 2 3 7 4 5 12 8 6 9 11 10 1 2 3 7 4 5 12 8 6 9 11 10 1 2 3 7 4 5 12 8 6 9 11 10
  • 55. Houda KHEDHER 55 Systèmes Sans Cordon ou Cordless Systems (1) • Caractéristiques – Systèmes simples à installer et gérer – Communications bi-directionnelles – Qualité de parole très proche de celle des terminaux fixes • Systèmes de première génération (CT1) – Un terminal communique avec une base unique raccordée directement au RTCP • Systèmes de deuxième génération numériques (CT2, DECT) – Accès au réseau téléphonique pour plusieurs terminaux via une borne publique, borne résidentielle, borne privée (PABX d’entreprise)
  • 56. Houda KHEDHER 56 Systèmes Sans Cordon ou Cordless Systems (2) • Applications  Résidentielle (borne domestique)  Professionnelle (PABX sans fil)  Publique (télépoint)  Radio dans la boucle locale (WLL) • Limites – Faible portée (quelques dizaines à quelques centaines de mètres) – Faible mobilité des usagers • Avantages – Durée d’autonomie importante des terminaux – Organisation anarchique – Moins coûteux et moins complexes que les systèmes cellulaires
  • 57. Houda KHEDHER 57 Systèmes sans cordon (3)  RTC    Base de données des abonnés Système de tarification WLL Borne domestique Borne publique PABX d’entreprise Terminal Structure d’un système sans cordon
  • 58. Houda KHEDHER 58 Systèmes sans cordon (4) DECT (Digital European Cordless Telephone) • Technologie – Bande de fréquence 1,8Ghz – Utilisation de slots de type TDMA – Débit : 552 Kbit/s – Distance : 300m pour 100mW
  • 60. Houda KHEDHER 60 Systèmes par Satellites (1)  Centre de gestion Station terrienne Satellite Voix données MS RTCP
  • 61. Houda KHEDHER 61 Systèmes par Satellites (2) • Principe : – Infrastructure au sol (stations terriennes et centres de gestion) – Satellites – Équipements embarqués (stations mobiles) • Services : – Voix et données – Localisation – Messagerie • Population visée : – Navires (commerciaux ou de plaisance) – Avions – Transport routier • Systèmes : – GMPCS – Inmarsat, Thuraya – Teledesic, …
  • 62. Houda KHEDHER Systèmes de Radiocommunications Professionnelles
  • 63. Houda KHEDHER 63 Systèmes de Radiocommunications Professionnelles (SRP)  Systèmes « conventionnels » très simples : allouer une fréquence par flotte (un ou plusieurs groupes d’usagers) • Population visée – Utilisation réservée et dédiée à des groupes fermés d’utilisateurs (membres d’une entreprise, d’un service, d’une administration) • Échanges à caractère opérationnel (information, commande, accusé de réception) • Services offerts – Voix – Données – chiffrement
  • 64. Houda KHEDHER 64 Systèmes de Radiocommunications Professionnelles (SRP)  Les réseaux radio à ressources partagées (3RP) ou systèmes trunk – 5 à 20 canaux duplex gérés par un contrôleur (micro- ordinateur) – Un canal n’est alloué à un usager que pour la durée de la communication – Les usagers sont identifiés par des numéros – Plusieurs flottes cohabitent sur le même système – Canaux de signalisation nécessaires : • Pour le paging (recherche de mobile) • Pour la demande de connexion (appel initié par le mobile)
  • 65. Houda KHEDHER 65 Structure générale d’un 3RP   Terminal de supervision Contrôleur Relais
  • 66. Houda KHEDHER Systèmes de radiomessagerie unilatérale
  • 67. Houda KHEDHER 67 Radiomessagerie Unilatérale (1) • Principe – Émetteurs (stations de base terriennes ou satellites) – Mobiles (pagers) fonctionnant en réception uniquement – Envoi de messages à travers le RTCP (automatique ou opératrice) • Services – Bip (Quelqu’un cherche à vous joindre) – Messages numériques, alphanumériques ou vocaux • Population visée – Professionnels – Grand public
  • 68. Houda KHEDHER 68 Radiomessagerie Unilatérale (2) • Deux catégories de systèmes – Systèmes publics à couverture étendue (région ou un pays) • Plusieurs émetteurs de puissance moyenne ou élevée • Les appels vers les récepteurs sont émis à travers le RTC ou un réseau de transmission de données • Appels stockés de quelques secondes à quelques minutes avant d’être émis de façon groupée – Systèmes privés (site unique de quelques centaines de mètres à quelques dizaines de kilomètres de portée) • Site d’étendue limitée à quelques récepteurs • Les appels vers les récepteurs sont émis par un opérateur manuel ou à travers un commutateur privé • Émission immédiate des messages
  • 69. Houda KHEDHER 69 Radiomessagerie Unilatérale (3) Sous-système radio Sous-système d’accès RTC ou X25  Pagers Émetteur Cœur du réseau
  • 70. Houda KHEDHER 70 Réseaux de transmission de données • Deux types de réseaux  Réseaux locaux sans fil (WLAN : Wireless Local Area Network) - HIPERLAN - IEEE 802.11  Réseaux étendus (Réseaux Radio Réservés aux Données : 3RD) - MOBITEX - CDPD (Cellular Digital Packet Data) - ARDIS (Advanced Radio Data Information Services) • Principe - Transmission par paquets • Applications - Professionnelles - Grand public
  • 72. Houda KHEDHER 72 Nombre de cellules par cluster (3) • Soit un cluster de forme hexagonale • N : nombre de cellules par cluster • a : surface de la cellule • A : surface du cluster 2 2 2 2 2 3 :aonsantréintroduien donc, 2 3 2 1 30cos 233 cellulesco2entreDistance 2 3 distance,deunité,3si, 2 33 R D NU D a A N D D A D aRU R a              