chap1 cellulaires esprit
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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
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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 »
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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
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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), …
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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
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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
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Evolution du marché
Source : Ericsson
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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,…
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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
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Typologie des réseaux radio-mobiles
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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)
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Les systèmes radio-mobiles
Houda KHEDHER
Générations et normes de réseaux mobiles
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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
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Houda KHEDHER
Architecture générale d’un réseau
radio-mobile
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Architecture générale d’un réseau GSM
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Éléments d’un système de
communications radio (1)
Sous-système réseau
Sous-système radio
Sous-système de contrôle
RTCP
Terminaux
fixes
Terminaux
mobiles
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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
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Systèmes cellulaires
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Systèmes cellulaires (1)
BS MS
Architecture cellulaire
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Systèmes cellulaires (2)
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Systèmes cellulaires (3)
Spécificités des systèmes cellulaires
Gestion de la mobilité des abonnés
Gestion de l’interface radio
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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Distance de réutilisation
D
R
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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
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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)
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Exemples de motifs à 3, 4 et 7 cellules
Problème : interférence co-canal
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Nombre de cellules par Cluster (1)
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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
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Y’2
x’1 x’2
x2
x1 y2
y’1
y1
y
x’
x
U
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Nombre de cellules par Cluster (3)
• Motif 4/12
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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°
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Sectorisation des cellules (2)
Cellule tri-sectorielle Cellule 6-sectorielle
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Schéma de sectorisation
• Motif 4/12
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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
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Systèmes sans cordon
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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)
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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
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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
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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
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Systèmes par satellites
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Systèmes par Satellites (1)
Centre
de gestion
Station terrienne
Satellite
Voix
données
MS
RTCP
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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, …
Houda KHEDHER
Systèmes de Radiocommunications
Professionnelles
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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
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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)
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Structure générale d’un 3RP
Terminal de supervision
Contrôleur
Relais
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Systèmes de radiomessagerie
unilatérale
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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
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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
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Radiomessagerie Unilatérale (3)
Sous-système
radio
Sous-système
d’accès
RTC ou X25
Pagers
Émetteur
Cœur du réseau
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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
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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
22
2
3:aonsantréintroduien
donc,2
32
1
30cos
233
cellulesco2entreDistance
2
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