CHAPITRE I : CONCEPTS DE TELEPHONIE CELLULAIRE

L'utilisation du téléphone depuis le début de son invention a eu un impact important sur la vie socio-économique des hommes. Les besoins en communication vont sans cesse croissants surtout du fait d'un environnement économique où le téléphone est devenu indispensable. Aujourd'hui des études montrent que plus des 2/5 de la population active mondiale est nomade d'où l'handicape du téléphone fixe. Pour rester accessible à tout moment et en tout lieu, la solution est de disposer d'un téléphone mobile qui puisse accompagner les hommes dans leurs déplacements. Pour répondre à ce besoin de mobilité, ont été inventées les télécommunications radio mobiles. On appelle communication radio mobile, toute communication entre des unités de radiocommunication, l'une ou l'autre pouvant être en mouvement.

I. HISTORIQUE DES RADIOCOMMUNICATIONS MOBILES

II.1. Quelques dates

- 1876: Graham Bell (canadien) invente le téléphone en assurant le transport de la voix grâce à une paire de fils reliant deux appareils. L’utilisation de son invention dans sa ville de résidence au Canada voit alors apparaître le premier réseau téléphonique.

- 1887: Heinrich Hertz (allemand) découvre les ondes radio qui ont permis d'abord en 1896 à Gugliemo Marconi (italien) de

réaliser à Bologne la première transmission radio qu'il nomma téléphone sans fil (TSF), puis en 1901 la première liaison radio transatlantique entre la Cornouailles et Terre-Neuve.

- 1921: première utilisation d'un système radio mobile dans la bande de 2 MHz par la police aux USA.

- 1933: la commission fédérale sur les communications (Federal Communications Commission : FCC) aux USA, alloue des

canaux dans la bande de 30 à 40 MHz.

- 1946: premier service commercial de radiotéléphone établi par Bell System aux USA dans la bande de 150 MHz, puis en 1964, face à la demande croissante d'abonnements faisant planer la menace de saturation sur les réseaux, la notion de partage des ressources dans les réseaux de radiocommunication fut introduite. Ainsi un canal radio est alloué dynamiquement à une nouvelle communication juste pendant sa durée.

- 1971: le laboratoire Bell System à Chicago propose la solution cellulaire qui divise le territoire en zones distinctes dans

lesquelles les mêmes fréquences peuvent être réutilisées plusieurs fois afin de répondre au besoin d'optimisation des ressources radios limitées dans une bande de fréquence par la FCC.

- 1978: le premier système cellulaire AMPS (Advanced Mobile Phone Service) est expérimenté à Chicago sur un échantillon de

1000 usagers. L'essai s'avère être une réussite totale.

- 1980: début de l'exploitation commerciale du système de téléphonie cellulaire aboutissant en 1982 à la normalisation de l’Advanced Mobile Phone Service par la FCC pour tout l’Amérique du Nord.

II.2. Exemples de systèmes de téléphonie cellulaire de première génération (1G)

Durant la décennie 80, plusieurs normes de réseaux cellulaires toutes utilisant le mode de transmission analogique sont mises en

œuvre à travers le monde qui malheureusement n'utilisent pas toutes le même standard (utilisent des bandes de fréquence différentes). Ce sont entre autres :

- L'AMPS : Advanced Mobile Phone Service (Amérique du Nord) - Le NMT : Nordic Mobile Telephone, version européenne de l'AMPS (France, Benelux, pays scandinaves) - Le TACS : Total Access Cellular System (Royaume-Uni, Italie) - Le J-TACS : Total Acces Cellular System (Japon) - Le C-450 : (Allemagne) - Le Radiocom2000 : (France)

II. LE STANDARD GSM : système de téléphonie cellulaire de deuxième génération (2G)

Le GSM (Global System for Mobile Communications) est le standard numérique européen mis au point pour remplacer

plusieurs normes analogiques différentes dites de première génération, pour la plupart incompatibles entre elles. Pour en arriver au standard GSM tel qu'il se présente aujourd'hui le processus de normalisation a connu plusieurs étapes.

II.1. Historique de la norme GSM

La norme GSM est l'aboutissement de plusieurs étapes :

- 1982 : la CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) composée de plusieurs pays établit une norme unique pour les communications avec les mobiles en définissant des bandes de fréquences communes à l’Europe entière dans la bande des 900 MHz. La même année, la CEPT crée en son sein un groupe de normalisation nommé “Groupe spécial mobiles (GSM)” dont le mandat était de spécifier un système paneuropéen de communication pour la téléphonie cellulaire. Toujours la même année le Centre Nationale d'étude des Télécommunications (CNET) met en place le projet “Marathon” dont l’objet est d’établir les spécifications d’interface radio et le traitement de la parole d’un réseau mobile numérique. Tous ces travaux donnent la norme GSM 900.

- 1987 : les opérateurs européens ont reconnu l'importance de coopérer entre eux dans les domaines commerciaux et

opérationnels pour la mise en œuvre de réseaux mobiles conformes à la norme GSM. Ce qui a entraîné la signature du Memorandum of Understanding (MoU).

- 1988 : création de l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) qui est chargé du suivi des normes du GSM

élaborées par la CEPT. Le sigle GSM est rebaptisé Global System for Mobile communications.

- 1990 : une adaptation du GSM à la bande des 1800 MHz fut définie, cette adaptation fut nommée DCS 1800 (Digital Celluar System 1800).

- 1991 : ouverture de la norme GSM aux opérateurs non membres de la CEPT. Début des premières communications par

GSM. (Cette étape est appelée GSM phase 1).

- 1994 : certains opérateurs nord-américains décidèrent d’utiliser les principes du GSM et développèrent pour cela une adaptation du GSM pour la bande des 1 900 MHz. cette adaptation fut nommée PCS 1900 (Personnal Communication Services 1900).

En définitive il y a en fait une seule norme GSM avec trois adaptations pour trois bandes différentes : GSM 900, DCS 1800 et

PCS 1900. - 1995 : ajout de nombreux services non vocaux : fax, SMS, double appel, facturation prépayée etc… (Cette étape est nommée

GSM phase 2). - 1996 : Spécification des terminaux bi-modes permettant une compatibilité totale GSM900-DCS1800, amélioration des

services : techniques et services. (Cette étape est nommée GSM phase 2+).

Le GSM, utilisé actuellement dans plus de 135 pays pour plus de 325 opérateurs est le standard de téléphonie cellulaire le plus utilisé dans le monde.

II.2. Objectifs de base de la norme GSM

La norme GSM vise les objectifs suivants : - large capacité du système en terme d'abonnés - utilisation efficace du spectre de fréquences alloué - sécurité et confidentialité des informations transmises - unification entre tous les systèmes cellulaires européens - large étendue aussi que possible de la zone de couverture - adaptation à la variation du trafic (mobilité des usagers) - grande étendue des services fournis et compatibilité de ceux-ci avec ceux des réseaux fixes - excellente qualité des communications et tarification abordable.

III. PRINCIPE DE BASE DU SYSTÈME CELLULAIRE

Les systèmes de communication cellulaires sont basés sur les 3 principes suivants :

- la division cellulaire du territoire à desservir - la réutilisation des fréquences de communication - le hand over.

III.1. La division cellulaire

Dans un système de téléphonie cellulaire le territoire à desservir est divisé en plusieurs zones appelées cellules. Chaque cellule

contient son propre site de transmission (émission, réception) appelé station de base qui dessert tous les mobiles à l'intérieur de

celle-ci. De plus tous les sites de transmission sont reliés à un commutateur central qui le cœur du système. La taille des cellules peut varier entre 0,2 et 35 km et dépend de la densité d’utilisateurs (communications), de la localisation (urbaines, péri-urbaines, rurales), de la nature des constructions (tours, pavillons, maisons) et du relief (plaines, collines, montagnes). Les cellules sont regroupées en bloc (appelé motif, grappe ou cluster). Typiquement, le nombre de cellules par motif est de 3, 4, 7, 12 ou 21. La dimension des motifs est fonction du nombre de fréquences (canaux) disponibles. Une cellule est théoriquement délimitée par un cercle. Mais la modélisation fait appel à un motif hexagonal. Ce qui permet un pavage exhaustif et autorise les calculs sur des bases géométriques fiables.

III.2. La réutilisation des fréquences La particularité de la téléphonie cellulaire réside dans le fait que le même canal radio (fréquence porteuse) peut être utilisé dans plusieurs cellules pour autant que ces cellules soient suffisamment espacées les unes des autres pour éviter les problèmes d'interférences. La distance entre deux cellules ayant la même fréquence doit être de 2 à 3 fois le diamètre d’une cellule. Il va s'en dire que cette technologie présente de nombreux avantages :

- la réutilisation d'un canal radio dans plusieurs cellules permet d'augmenter le nombre de communications simultanées et donc la capacité du système

- les transmissions sont moins perturbées car la propagation des signaux se fait sur de faibles distances. Ces distances étant limitées aux contours des cellules.

4

3

1

2

6

7 5

D : Distance de réutilisation de fréquence

N : Nombre de cellules par cluster R : Rayon d'une cellule

N3R

D

FIG.2- Calcul de la distance de réutilisation de fréquence

Le réseau doit être constitué de motifs invariants par rotation de 120°. On montre grâce à la théorie des graphes que le nombre de cellules du motif est de la forme :

N = i2

+ i.j + j2 avec i et j des entiers qui représentent le nombre de cellules traversées en 2 sauts comme illustré à la figure 1b

.

FIG.1- (a) Exemple de motif de 7 cellules (b) Exemple d'un réseau de 6 motifs de 7 cellules

i j

0 1 2 3 4

0 0 1 4 9 16

1 3 7 13 21

2 12 19 28

3 27 37

4 48

4

3

1

2

6ombre d'intervalles de temp

7se) FIG.5- Principe du multiplex

5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

j i

III.3. Principe de la réutilisation des fréquences

a. Les bandes de fréquences

Les réseaux GSM 900, DCS 1800, PCS 1900 utilisent chacun deux bandes de fréquence respectivement autour de 900 MHz,

1800 MHz et 1900 MHz. Une bande montante (du mobile vers la station de base) et une bande descendante (de la station de base vers le mobile).

NB : Depuis 1997 le DCS 1800 est rebaptisé GSM 1800 pour refléter sa parfaite conformité avec le GSM 900 original.

b. Principe de plusieurs communications simultanées par la méthode de multiplexage Dans un réseau GSM, deux techniques de multiplexage sont utilisées pour optimiser l'exploitation des bandes de fréquence disponibles :

- un multiplexage fréquentiel AMRF : Accès Multiple à Répartition en Fréquence ou FDMA : Frequency Division Multiple Access

- un multiplexage temporel AMRT : Accès Multiple à Répartition dans le Temps ou TDMA : Time Division Multiple Access

Multiplexage fréquentiel (FDMA)

Le multiplexage fréquentiel consiste à diviser la bande de fréquence dédiée à un usage en plusieurs canaux de communication. Dans un réseau GSM, chacune des bandes montante et descendante est subdivisée en plusieurs sous bandes de largeur 200 KHz. Ces sous bandes sont appelées canaux radios et contiennent chacune une fréquence porteuse de transmission. NB : les fréquences extrêmes ne sont pas utilisées comme fréquence porteuse. Ainsi pour le GSM 900 par on a :

- Le nombre total de canaux radios est

12410,2

890915N

ou 1241

0,2

935960N

- les différentes fréquences porteuses pour la bande montante sont données par l'expression

Fup = (890 + 0,2 x n) MHz avec 1 ≤ n ≤ 124, un numéro de canal parmi les 124 canaux

- les différentes fréquences porteuses pour la bande descendante sont données par l'expression

Fdw = (935 + 0,2 x n) MHz avec 1 ≤ n ≤ 124 On note bien que pour le GSM 900 l’écart entre les deux porteuses associées pour const ituer un canal radio bidirectionnel ou

canal duplex (une voie montante et une voie descendante est appelé écart duplex et vaut : Fdw - Fup = 45 MHz

Réseaux Uplink (bande montante) Downlink (bande descendante)

GSM 900 890 à 915 MHz 935 à 960 MHz

DCS 1800 1710 à 1785 MHz 1805 à 1880 MHz

PCS 1900 1850 à 1910 MHz 1930 à 1990 MHz

890 MHz

200 KHz

890,2 MHz

890,4 MHz

890,6 MHz

914,4 MHz

914,6 MHz

914,8 MHz

915 MHz

935 MHz

935,2 MHz

935,4 MHz

935,6 MHz

959,4 MHz

959,6 MHz

959,8 MHz

960 MHz

200 KHz

45 MHz

FIG.4- Bandes de fréquences du GSM 900

FIG.3- Exemple théorique de couverture cellulaire en fonction de la densité (réseaux superposés)

(micro-cellule : 200m à 1Km

de rayon)

(macro-cellule : 1Km à 35Km de rayon)

(pico-cellule : 10m à 200m de rayon)

Zone urbaine

Zone péri-urbaine ou axe routier

Zone rurale

Avec les canaux radios disponibles, il est donc possible d'effectuer un multiplexage fréquentiel en faisant une répartition des porteuses entre les opérateurs ; quitte à chacun d'organiser son plan d'utilisation des fréquences (Plan De Fréquences : PDF) en allouant une ou plusieurs fréquences porteuses par station de base. En tout état de cause, le FDMA ou AMRF permet de disposer de 124 porteuses en GSM 900, 374 porteuses en DCS 1800 et 298 porteuses en PCS 1900.

Multiplexage temporel (TDMA)

Le TDMA consiste donc à diviser chaque canal de communication en plusieurs intervalles de temps (IT). Dans un réseau GSM, le multiplexage temporel revient à diviser chaque porteuse (canal radio) en 8 intervalles de temps (IT) de durée 0,577 ms chacun. Un intervalle de temps (IT) est nommé burst ou slot. Les 8 bursts forment une trame TDMA (ou salve) qui dure donc 8 x 0,577 ms = 4,616 ms. (Le terme trame découle de " time frame").

La trame est l'unité temporelle de base pour la transmission des informations en GSM.

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5

Burst TDMA (0,577 ms)

Trame TDMA (4,616 ms)

(NB : La durée d'un slot pour le GSM à été fixée à 7500 périodes du signal de référence fourni par un quartz à 13 MHz

Tslot = 7500 / 13 MHz = 0,5769 ms 0,577 ms)

D'après le multiplexage TDMA, un mobile en court de communication émet une très courte salve toutes les 4,616 ms, c'est-à-dire à une fréquence de 217Hz. Cette fréquence appartenant au domaine audible caractérise le bourdonnement qu'on entend, par détection directe, lorsqu' on utilise un mobile trop près d'un équipement audio.

TAB.1- caractéristiques des bandes de fréquences des réseaux GSM 900, DCS 1800 et PCS 1900

Réseaux Caractéristiques

GSM 900 DCS 1800 PCS 1900

Bande descendante 935 à 960 MHz 1805 à 1880 MHz 1930 à 1990 MHz Bande montante 890 à 915 MHz 1710 à 1785 MHz 1850 à 1910 MHz Espacement entre les canaux d'un couple (écart duplex) 45 MHz 95 MHz 80 MHz Largeur des canaux 25 MHz 75 MHz 60 MHz Nombre de canaux radios (multiplexage FDMA) 124 374 298 Nombre d'intervalle de temps (multiplexage TDMA) 8 8 8 Nombre de canaux logiquement disponibles 992 2992 2384

III.1. Le handover

Lorsqu'une station mobile est en communication elle peut changer de cellule sans pour autant que sa communication ne soit interrompu. C'est le principe du handover ou Transfert Automatique Intercellulaire (TAI). Le système possède la capacité de faire changer de canal radio à tout mobile lorsque cela est nécessaire. Durant une communication la station mobile écoute chaque station de base des environs et livre un rapport permanent de la puissance des signaux reçus. Ce qui permet au système de choisir au moment opportun le transfert sur la station de base la mieux adaptée.

FIG.5- Principe du multiplexage TDMA

(Porteuse)

DOCUMENTATION N°1

4

3

1

2

6

7 5

FIG.2- Calcul de la distance de réutilisation de fréquence

D : Distance de réutilisation de fréquence N : Nombre de cellules par cluster R : Rayon d'une cellule D R

= 3N

1

3

2

1

3

2

R

D

FIG.4- Concept de station de base multicellulaire

4 7 1 8 5

2 9 6 11

12

3 10

4 7 1 8 5

2 9 6 11

12

3 10

4 7 1 8 5

2 9 6 11 3

3 10

8 5

11

10

4 7

2

2

12 4 7

2 9 6

Zone urbaine Zone péri-urbaine

ou axe routier

Zone rurale

FIG.3- Exemple théorique de couverture cellulaire en fonction de la densité

(Réseaux superposés)

Le réseau doit être constitué de motifs invariants par rotation de 120°. On montre grâce à la théorie des graphes que le nombre de cellules du motif est de la forme :

N = i2

+ i.j + j2

avec i et j des entiers qui représentent le nombre de cellules traversées en 2 sauts comme illustré à la figure 1b.

(b) Exemple d'un réseau de 6 motifs de 7 cellules

i j

0 1 2 3 4

0 0 1 4 9 16

1 3 7 13 21

2 12 19 28

3 27 37

4 48

4

3

1

2

6ombre d'intervalles de temps

( ) 6

7se) FIG.5- Principe du multiplexage TDMA

5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

4

3

1

2

6

7 5

j i

FIG.1- (a) Exemple de motif de 7 cellules