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  1. 1. Réseaux sans fil et résaux de mobile Résumé
  2. 2.  Le concept de réseau cellulaire (1/3)  Concept de base: Division du territoire en cellules Partage des ressources radio entre cellules  Cellule : unité géographique du réseau Taille de la cellule variable suivant le relief, la densité d’abonnés… Hiérarchie de cellules (macro-cellules, micro-cellules…)  Chaque cellule possède un émetteur-récepteur Groupe de fréquences radio attribué à chaque cellule Techniques de multiplexage (Frequency Division Multiple Access, Time DMA, Code DMA)
  3. 3.  Le concept de réseau cellulaire (2/3)  Déterminer un motif de réutilisation de fréquences Motif de réutilisation de fréquences à 7 cellules Difficulté supplémentaire : itinérance de l’abonné Gestion des transferts entre les stations émettrices des différentes cellules (handover)
  4. 4.  Suivant le relief, les portées des émetteurs sont différentes. La taille des cellules dépend également du nombres de communications simultanées à écouler. (fortes atténuations et fort trafic en ville par petite cellule). zone rurale zone suburbaine ou axe routier zone urbaine  Le concept de réseau cellulaire (1/3)
  5. 5.  La réutilisation des fréquences  Comme le spectre de fréquences disponible (= ressource radio) et la portée des sites sont limités, on réutilise les mêmes fréquences sur plusieurs cellules.  Cette réutilisation se fait de manière à minimiser les interférences (co-canal et canal adjacent). Elle peut se faire suivant un motif ou non. f1 f5 f4 f3 f2 f7 f6 f1 f3 f2 f7 f6 f5 f4 motif régulier à 7 fréquences
  6. 6.  Propagation sur le réseau Hertzien 𝑃𝑅 = 𝑃𝐸𝐺𝐸𝐺𝑅 𝜆 4𝜋𝑑 2 Retard de transmission  Atténuation :  Une station émettrice ne couvre qu’une zone
  7. 7. Groupe d’obstacles ???
  8. 8. La 2G : GSM (Global System for Mobile communications)
  9. 9. • contrairement à la première génération de téléphones portables, les communications fonctionnent selon un mode entièrement numérique. • à l'origine de sa normalisation en 1982, il est devenu une norme internationale nommée « Global System for Mobile communications » en 1991. • En Europe, le standard GSM utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz. Aux Etats-Unis par contre, les bandes de fréquences utilisées sont
  10. 10. • La norme GSM autorise un débit maximal de 13 kbps, ce qui permet de transmettre la voix ainsi que des données numériques de faible volume, par exemple des messages textes (SMS, pour Short Message Service) ou des messages multimédias (MMS, pour Multimedia Message Service).
  11. 11. Notion de réseau cellulaire • Les réseaux de téléphonie mobile sont basés sur la notion de cellules, c'est-à-dire des zones circulaires se chevauchant afin de couvrir une zone géographique. • Les réseaux cellulaires reposent sur l'utilisation d'un émetteur-récepteur central au niveau de chaque cellule, appelée « station de base » (en anglais Base Transceiver Station, notée BTS).
  12. 12. Architecture du réseau GSM • Dans un réseau GSM, le terminal de l'utilisateur est appelé station mobile. Une station mobile est composée d'une carte SIM (Subscriber Identity Module), permettant d'identifier l'usager de façon unique et d'un terminal mobile, c'est-à-dire l'appareil de l'usager (la plupart du temps un téléphone portable). • Les terminaux (appareils) sont identifiés par un numéro d'identification unique de 15 chiffres appelé IMEI (International Mobile Equipment Identity). Chaque carte SIM possède également un
  13. 13. BSS / NSS • L'ensemble des stations de base d'un réseau cellulaire est relié à un contrôleur de stations (en anglais Base Station Controller, noté BSC), chargé de gérer la répartition des ressources. L'ensemble constitué par le contrôleur de station et les stations de base connectées constituent le sous- système radio (en anglais BSS pour Base Station Subsystem).
  14. 14. Architecture du réseau GSM Interfaces GSM: - BSC et le MSC disposent de l’interface A - BSC et la BTS partagent une interface Abis - La station mobile (MS) communique avec la BTS par le biais de l’interface radio Air(Um) Remarque: L'interface A est définie à la sortie du MSC et le débit du canal de parole y est égal à 64 kbit/s. Or, le débit correspondant sur l'interface radio est égal au plus à 16 kbit/s:  Une fonction de transcodage (TRAU, Transcoder / Rate Adaptor Unit) est donc nécessaire. /N7
  15. 15. Les fréquences: L’interface radio travaille dans les bandes: • GSM: 880-915 MHz dans le sens montant et 925-960 MHz dans le sens descendant. • DCS 1800: utilise un sens montant entre 1
  16. 16. Les canaux GSM • On retrouve dans un système GSM deux types de canaux : 1. Canaux logiques. 2. Canaux physiques.
  17. 17. Canaux logiques • Il y a deux types: 1. Les canaux de trafic pour transporter la voix et les données: Pour envoyer les données/voix entre la BTS et MS. Full Rate 13 Kbit/s 2. Les canaux de contrôle (signalisation) pour la gestion des messages dans le réseau et des opérations d’entretien: a. Broadcast. b. Commun. c. Dédié.
  18. 18. Canaux logiques • 4 combinaison des canaux sont définis, chacune identifie le groupe de canaux logiques qui partagent le canal physique
  19. 19. Canaux Physiques • Un canal physique est caractérisé par : – une paire de fréquences – un slot particulier par fréquence choisi parmi huit. • un canal physique convoie un ou plusieurs canaux logiques.
  20. 20. Canaux Physiques Métriques temporelles des canaux physiques: • Trame radio: Intervalle de temps de longueur 8 slots, soit 4,615 ms. • Slot: Intervalle de temps de longueur 577 µs. • FN: Compteur de trames qui sert de référence temporelle dans une cellule, repère pour le mobile, chiffrement, séquence de saut de fréquences…
  21. 21. Structure du Burst Normal
  22. 22. Les débits: Le canal plein débit TCH/FS (Traffic CHannel/Full Speed), au débit net de 13 Kbit/s, pour la transmission de la parole ou des données. Ce canal peut être remplacé par : – Le canal demi-débit TCH/HS (Traffic CHannel/Half Speed) à 5,6 Kbit/s. – Le canal plein débit pour les données à 9,6 Kbit/s, pour la transmission de données à un débit net de 12 Kbit/s. – Le canal demi-débit pour les données à 4,8 Kbit/s, pour la transmission de données à un débit net de
  23. 23. MSC • Le MSC est généralement relié à des bases de données assurant des fonctions complémentaires :Le registre des abonnés locaux (noté HLR pour Home Location Register): il s'agit d'une base de données contenant des informations (position géographique, informations administratives, etc.) sur les abonnés inscrits dans la zone du commutateur (MSC). • Le Registre des abonnés visiteurs (noté VLR pour Visitor Location Register): il s'agit d'une base de données contenant des
  24. 24. • Le réseau cellulaire ainsi formé est prévu pour supporter la mobilité grâce à la gestion du handover, c'est-à-dire le passage d'une cellule à une autre. Enfin, les réseaux GSM supportent également la notion d'itinérance (en anglais roaming), c'est-à- dire le passage du réseau d'un opérateur à un autre.
  25. 25. La Carte SIM • Une carte SIM contient les informations suivantes – Numéro de téléphone de l'abonné (MSISDN) – Numéro d'abonné international (IMSI, international mobile subscriber identity) – Etat de la carte SIM – Code de service (opérateur) – Clé d'authentification – Code PIN (Personal Identification Code) – Code PUK (Personal Unlock Code)
  26. 26. La planification du réseau: Le principe est le suivant: - Répartir les émetteurs sur le terrain - Etablir les zones de couverture, et les adapter en déplaçant les sites, en modifiant les puissances d’émission, en choisissant les orientations. - Une fois la couverture assurée, il faut rechercher une répartition des fréquences en analysant les sites qui sont voisins. - Il faut alors rechercher une répartition des fréquences entre les sites. On commencera par positionner les fréquences BCCH, puis les canaux de données. - Dans le cas où la planification n’arrive pas à converger, il faut alors densifier le réseau.
  27. 27. Comment répartir les émetteurs sur le terrain ?  Pour dimensionner un réseau cellulaire, on peut partir d’un modèle théorique hexagonal régulier.  → Dans ce cas, on cherche à répartir les ressources de façon régulière et optimale, minimisant les interférences.  A cause de la limitation du nombre de frequences, on utilise un contraite stricte:  La réutilisation des fréquences, afin de réduire les interférences.
  28. 28. La réutilisation des fréquences:  On appelle distance de réutilisation la distance entre les cellules co-canales: Motif de réutilisation de fréquences à 7 cellules
  29. 29. PREDICTION DE COUVERTURE RADIO:  Conditionne à la fois les critères radios (on peut prédire le taux d’interférence et le niveau de signal) et les critères trafic (dimensionnement du nombre de canaux).  Les méthodes de prédiction de couverture aujourd’hui utilisées mixent avantageusement:  Les approches empiriques et  Les approches déterministes.
  30. 30. PREDICTION DE COUVERTURE RADIO:  Les approches empiriques:  utilise des résultats expérimentaux pour estimer la couverture radio.  Les approches déterministes:  intègrent les effets de relief, sans tenir compte des propriétés locales.
  31. 31. La 3G UMTS
  32. 32. Les différents types de réseaux mobiles Nous avons vu que la téléphonie mobile a progressivement évolué: • Des réseaux 1G analogiques et non cellulaires • Vers les réseaux 2G numériques et cellulaires: GSM (2G) (Global System for Mobile Communications) Débit maximum du GSM est alors de 9,6 Kbts. GPRS (2,5G) (General Packet Radio Service), Le débit maximum théorique passe à 171 Kbps, mais en pratique il s’élève à une cinquantaine de Kbps. EDGE (2,75G) (Enhenced Data Rates for GSM Evolution) : Débit maximum s’élève à 384 Kbps, avec un débit moyen toutefois plus faible.
  33. 33. Inconvénients GSM • Limitation débit • Manque de standardisation • Limitation de ressources: Fréquences • Existence deux technologies concurrentes, incompatibles, pour la 2G: le GSM et le CDMA: • Evolution du GSM repose sur la technologie W- CDMA et aboutit à la norme UMTS.
  34. 34. UMTS: Les multiplexages • Le CDMA (Code Division Multiple Access) est basé sur la répartition par codes. • Evolutions de la technique CDMA  - W-CDMA (Wide Band CDMA) et - TD-CDMA (Time Division CDMA). Le W-CDMA utilise deux bandes passantes de 5 Mhz: Uplink & Downlink: - Le débit maximal supporté par un seul code est de 384 kbit/s.
  35. 35. Architecture UMTS Constituée de: • Une partie radio appelée RNS (Radio Network Subsystem). • Une partie réseau de base appelée CN (Core Network).
  36. 36. Architecture UMTS Constituée de: • Station Mobile (UE, User Equipment) • Le sous-système radio (RNS, Radio Network Subsystem): se compose de: - Le noeud B (node B) - Le contrôleur de réseau radio (RNC, Radio Network Controller) - RNC+ ∑Node B = RNS - ∑ RNS = UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) . Le sous-système réseau (UMTS Core Network): - 3G MSCs - 3G SGSNs (Approche recouvrement) - MSC - GSN (Approche intégrée) OU
  37. 37. Station Mobile (UE, User Equipment) Composé de: - Mobile Equipment (ME) :Terminal mobile. - la carte USIM (UMTS Subscriber Identity Module). • Le rôle de l'USIM est semblable à celui de la carte SIM en GSM:Elle enregistre les identités de l'abonné telles que: . IMSI, . TMSI, . P-TMSI, . Les données de souscription,
  38. 38. Le sous-système radio (RNS, Radio Network Subsystem) Composé de deux éléments distincts, à savoir: - Noeud B (node B) - Le contrôleur de réseau radio (RNC, Radio Network Controller)
  39. 39. Node B • Le Node B est équivalent à la BTS du réseau GSM. Il peut gérer une ou plusieurs cellules. Il inclut un récepteur CDMA qui convertit les signaux de l'interface Uu (Interface Air) en flux de données acheminés au RNC sur l'interface Iub. • Il existe trois types de Node B correspondant aux deux modes UTRA : - Node B UTRA-FDD, - Node B UTRA-TDD - et Node B mode dual
  40. 40. RNC • Le RNC possède et contrôle les ressources radio des Node B auxquels il est connecté. • Le RNC est le point d’accès au service pour tous les services que l’UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) fournit au réseau de base.
  41. 41. RNC Le Serving RNC: gère les connexions radios avec le mobile et sert de point de rattachement au réseau de base via l’interface Iu. Il contrôle et exécute le handover. Le Drift RNC: sur ordre du Serving RNC, gère les ressources radios des Node B qui dépendent de lui.
  42. 42. Les fréquences: Les bandes hertzienne suivantes avaient été choisies pour les systèmes 3G IMT2000 par l’UIT : • Duplex temporel TDD: 1 885,00 à 1 920,00 MHz (bande de 35 MHz de largeur) et 2 010,00 à 2 025,00 MHz (bande de 15 MHz) ; • Duplex fréquentiel FDD: 1 920,00 à 1 980,00 MHz (uplink de 60 MHz) et 2 110,00 à 2 170,00 MHz (downlink de 60 MHz) ;
  43. 43. Les fréquences: • La bande de fréquence (porteuse) affectée à chaque cellule radio est de 5 MHz avec une largeur spectrale réelle de 4,685 MHz. Depuis l'arrivée de la norme HSPA+ en 2008, plusieurs porteuses de 5 MHz peuvent être agrégées pour augmenter les débits.
  44. 44. 4G LTE
  45. 45. Rappel, Passage 3G → 4G L’UMTS Release 99 utilise la technologie W-CDMA (Wideband CDMA ou CDMA large bande). → Le signal utile est étalé sur une largeur de bande de 3.84 MHz avant mise sur porteuse (d’où le nom de large bande) → Une porteuse occupant un canal de 5 MHz. → Le W-CDMA autorise la connexion simultanée à plusieurs cellules,
  46. 46. L’UMTS connaît deux évolutions majeures que nous présentons brièvement dans les sections suivantes : • Le HSPA (High Speed Packet Access) ; • Le HSPA+ (High Speed Packet Access+). → L’innovation principale du HSPA concerne le passage d’une commutation circuit sur l’interface radio, où des ressources radio sont réservées à chaque UE pendant la durée de l’appel, à une commutation par paquets, où la station de base décide dynamiquement du partage des ressources entre les UE actifs. → la modulation QPSK est introduite pour la voie montante en complément de la modulation BPSK (Binary Phase Shift Keying) utilisée en Release 99. → un nouveau mécanisme de retransmission rapide des paquets erronés, appelé HARQ (Hybrid Automatic Response reQuest), est défini entre l’UE et la station de base, afin de réduire la latence du système en cas de perte de paquets. Rappel, Passage 3G → 4G
  47. 47. Rappel, Passage 3G → 4G → Ces évolutions offrent aux utilisateurs des débits maximaux de 14,4 Mbit/s en voie descendante et de 5,8 Mbit/s en voie montante, ainsi qu’une latence réduite. HSPA+: → c’est un terme qui regroupe plusieurs évolutions techniques visant principalement à améliorer : • les débits fournis aux utilisateurs et la capacité du système ; • la gestion des utilisateurs always-on. Caracterisée par: - la modulation 64QAM - une cellule peut transmettre des données à un utilisateur sur deux porteuses simultanément en voie descendante, à l’aide de la fonctionnalité DC-HSDPA (Dual Carrier – HSDPA). - La fonctionnalité MIMO (Multiple Input Multiple Output) est également introduite.
  48. 48. Comparaison des technologies GSM, UMTS Release 99, HSPA et HSPA+ Release 8 GSM/GPRS/EDGE UMTS Release 99 HSPA HSPA+ Release 8 Débit maximal UL 118 Kbit/s 384 Kbit/s 5,8 Mbit/s 11,5 Mbit/s Débit maximal DL 236 Kbit/s 384 Kbit/s 14,4 Mbit/s 42 Mbit/s Introduction du LTE:
  49. 49. Codages radio LTE – OFDMA (de la base vers le terminal) – SC-FDMA (du terminal vers la base). • Ceci permet d’affecter à chaque cellule une largeur spectrale plus importante qu'en 3G, variant de 3 à 20 MHz et donc d'avoir une bande passante plus importante et plus de débit dans chaque cellule.
  50. 50. Architecture du réseau LTE Le réseau est constitué de deux parties : • Une partie radio (eUTRAN) • et un cœur de réseau « EPC » (Evolved Packet Core).
  51. 51. La partie radio eUTRAN (Partie radio) Se compose donc de: - eNode B, d’antennes locales ou distantes, - Liaisons en fibres: optiques vers les antennes distantes (liens CPRI). - Des liaisons IP reliant les eNode B entre eux (liens X2) et avec le cœur de réseau (liens S1) via un réseau de backhaul.
  52. 52. Architecture LTE: • Entité MME: Signalisation EMM et ESM avec l’UE, Authentification, Sélection du Serving GW et du PDN GW, Sélection de MME lors du handover avec changement de MME, Sélection du SGSN lors du handover avec les réseaux d’accès 2G et 3G. • Entité Serving GW (Serving Gateway): Point d’ancrage pour le handover, Mise en mémoire des paquets (UE IDLE), Routage des paquets et relai des paquets, Marquage des paquets dans les sens montant et descendant.
  53. 53. Architecture LTE: • Entité PDN GW (Packet Data Network Gateway): Interface vers les réseaux externes, Allocation de l’adresse IP de l’UE, Marquage des paquets dans les sens montant et descendant. • Entité HSS (Home Subscriber Server): HLR réutilisé et renommé Home Subscriber Server (HSS). • Entité PCRF (Policy & Charging Rules Function): Règles de taxation.
  54. 54. Multi-carier Transmission
  55. 55. OFDM Spectrum
  56. 56. OFDM Power
  57. 57. OFDMA Princ
  58. 58. SC-OFDMA

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