ecole supérieure d’economie numérique€¦ · gsm en 1991 gprs en 2000 (2,5g ou 2g+) :...
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03/11/2019
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RÉSEAUX MOBILES
Dr. Ing. Ikbel DALY BRIKI
Ecole Supérieure d’Economie Numérique
03/11/2019
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PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les réseaux cellulaires
Chapitre 3 Les réseaux satellitaires
Chapitre 4 Les réseaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil
Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil
Axes de Recherche
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PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les réseaux cellulaires
Chapitre 3 Les réseaux satellitaires
Chapitre 4 Les réseaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil
Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil
Axes de Recherche
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CHAPITRE 1 INTRODUCTION
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BESOINS DES UTILISATEURS (1)
Mobile = tout en un
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BESOINS DES UTILISATEURS (2)
Mobile = accès à tout
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BESOINS DES UTILISATEURS (3)
Types de flux diversifiés : voix, images, sons,
textes, data
Types d’applications
Du très général (eg. messagerie) au spécifique
(travail personnel et spécialisé)
Du grand public au spécialiste (commercial, médecin
urgentiste…)
Qualité de service
Débit, temps de réponse
Disponibilité (« anywhere, anytime connected »)
Sécurité
Terminaux : intégration (tout en un)7
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PERFORMANCES DES APPAREILS SANS FIL
Equipements
Smartphone
Tablette
PDA
Portable
...
Puissance limitée
Par la batterie, la mémoire, le disque dur
Par la transmission sans fil
Par le réseau de rattachement
Interfaces utilisateurs simplifiées
Taille des écrans
Terminaux clients8
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MOTIVATIONS
Les réseaux radios
Diversité des services offerts
Aussi bien pour des applications « grand public » que pour une utilisation en entreprise.
Le domaine des communications
Les technologies sans fil (GSM, GPRS, UMTS, WiFi, WiMax,…) offrent une extrême liberté d’usage pour les utilisateurs «nomades» en assurant une continuité des services à la fois performante et économique via des terminaux adaptés, fiables et relativement peu coûteux (PC portable, PDA, téléphone mobile, …).
Exemples de services offerts en mobilité
L’accès internet haut débit via les hot spots publics
Services vidéo, mail, chat, forums et travail collaboratif
Service à domicile via les boîtiers multiplay (free box, live box…)
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DOMAINES D’APPLICATION (1)
Les principaux domaines d’application des réseaux
mobiles :
Le travail collaboratif et les communications
dans des entreprises ou bâtiments : dans le cadre
d’une réunion ou d’une conférence ou d’une
couverture d’évènements sportifs,
Réseaux de senseurs (capteurs) : pour des
applications environnementales (climat, activité
de la terre, suivi des mouvements des animaux,
etc.) ou domestiques (contrôle des équipements à
distance),
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Les principaux domaines d’application des réseaux mobiles :
Réseaux domestiques (Home network) : partage d’applications et communications des équipements mobiles exemple l'organisation d'une soirée de jeux vidéo en réseaux où chacun apporte son matériel,
Applications commerciales : pour un paiement électronique distant (en taxi) ou pour l’accès mobile à l’Internet ou service de guide en fonction de la position de l’utilisateur,
Réseaux en mouvement : informatique embarquée et véhicules communicants pour avoir des informations sur le trafic disponible en temps réel (Vehicular Ad hoc Network, VANET).
DOMAINES D’APPLICATION (2)
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VAGUES DES RÉSEAUX MOBILES
Grand public – Vagues des réseaux sans fil
Vague 1 : téléphonie mobile
Encore en cours
Business le plus important
Vague 2 : Accès sans fil à Internet
Accès Internet via les WLAN (Wifi) personnels, d’entreprises ou d’organisations
2.5 G et 3G en compétition pour l’accès à Internet via le mobile
Vague 3 : Réseaux ad hoc (actuellement)
Interconnexion de mobiles non reliés à des infrastructures
Interopérabilité entre réseaux hétérogènes
Vague 4 : équipements de plus en plus invisibles !
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CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (1)
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CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (2)
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PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les réseaux cellulaires
Chapitre 3 Les réseaux satellitaires
Chapitre 4 Les réseaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil
Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil
Axes de Recherche
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CHAPITRE 2 LES RÉSEAUX CELLULAIRES
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HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)
Développement des réseaux sans fil
1910 : Ericson travaille sur le premier téléphone
pour voiture.
1912 : attribution des fréquences radios et des
licences aux opérateurs téléphoniques
1940 : pendant la seconde guerre mondiale,
l’armée américaine utilise pour la première fois
dans signaux radio pour transmettre de données.
1971 : un groupe de chercheurs crée le premier
réseau de communication radio basé sur la
commutation de paquets, appelé ALOHAnet.
C’est le tout premier réseau sans fil, constitué de
7 ordinateurs reliés en étoile. 17
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HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)
Années 80 (1G) : voix analogique technologie analogique qui utilise une bande de fréquences
non enregistrée (902-928 MHz) ce qui cause des interférences avec toutes sortes de machines.
AMPS en 1982, Radiocom en 1982
Années 90 (2G) : voix numérique et messagerie texte transmission numérique pour augmenter la capacité,
améliorer la sécurité et offrir la messagerie texte (SMS).
GSM en 1991
GPRS en 2000 (2,5G ou 2G+) : dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé.
Années 2000 (3G) : voix et données numériques services numériques de voix et de données à haut débit.
UMTS, W-CDMA en déploiement mondial
Années 2010 (4G) : Services haut-débits
LTE (Long Term Evolution)18
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RÉSEAUX CELLULAIRES
C’est la rareté du spectre radio qui a conduit les
opérateurs à découper le territoire en zones
(cellules), de taille variable selon la densité des
utilisateurs.Les différentes tailles de
cellules d’un réseau cellulaire
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OBJECTIFS DES RÉSEAUX CELLULAIRES
Offrir une large couverture et tenir compte de la
mobilité
1G : voix, sans localisation et sans mobilité
2G : voix, localisation / mobilité
3G : id. + paquets
4G : id + inter-technologie
Offrir un service à de nombreux usagers
Intégrer de plus en plus de services
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PROBLÉMATIQUE DE LA MOBILITÉ
Localisation des utilisateurs
Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve.
Transfert inter-cellulaire (Handover)
Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre
Roaming
Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.
Sécurité
Pour éviter les écoutes frauduleuses des communication (authentification, cryptage, identité temporaire).
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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)
1ère génération (1G) : voix
Transmission analogique, contrôle numérique
Concept de cellule
NMT, R2000, AMPS, téléphone sans fil : CT0, CT1
2ème génération (2G) : Voix/données
Transmission et contrôle numériques
IS-95, GSM (Global System for Mobile
communication), CT2, DECT
2G+ : Mobitext, GPRS
3ème génération (3G) : UMTS/IMT-2000,
WCDMA,
CDMA2000, EDGE
Un seul système pour la voix et les données
4ème génération (4G) : Wimax, LTE
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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)
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PRINCIPE DE BASE
BTS : Base Transceiver Station
BSC : Base Station Controller
MSC : Mobile Switching Center
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PRINCIPE DE BASE
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PRINCIPE DE BASE
Cellule
Cellule = la surface avec laquelle une BTS peut
établir une liaison avec un téléphone mobile.
Principe = diviser une région en un certain
nombre de cellules desservies par une BTS de
faible puissance, émettant à des fréquences
différentes de celles utilisées sur les cellules
voisines.
Allocation des fréquences = le nombre de
fréquences accordées étant restreint, l'opérateur
est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur
des cellules suffisamment éloignées de telle sorte
que deux communications utilisant la même
fréquence ne se brouillent pas.
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PRINCIPE DE BASE
Les cellules
Chaque cellule a sa fréquence de communication
Possède 6 voisins
pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer
entre les cellules : technique SDMA
Space Division Multiple Access
Schéma d’attribution des fréquences
But : les cellules adjacentes ne doivent
pas avoir la même fréquence
de communication
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PRINCIPE DE BASE
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PRINCIPE DE BASE
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ENVIRONNEMENT RADIO-MOBILE
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DÉGRADATIONS DE L’ONDE
Atténuation due à la distance parcourue
(pathloss),
Effets de masques (shadowing effects),
Evanouissements (fadings) par propagation
multitrajet.
Brouillages causés par d'autres émissions :
Interférences (co-canal ou canal adjacent),
Bruit ambiant.
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CARACTÉRISTIQUES DE LA PROPAGATION
Les caractéristiques de propagation dépendent :
Morphologie du terrain,
Densité de végétation,
Hauteur, combinaison, nature et densité des
bâtiments,
Conditions météo,
Etc.
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MULTITRAJETS
Origine : Réflexions multiples sur les obstacles
rencontrés par l'onde.
Deux effets :
Positif
Négatif
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EFFETS POSITIFS DU MULTITRAJET
Communications réussies même en présence de
masque : contournement des obstacles.
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EFFETS NÉGATIFS DU MULTITRAJET
Mutlipath spread= (longer path-shorter path)/c ;
où c désigne la vitesse de la lumière.
Dépendance: Direction, réflectivité et distance
entre les objets.
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INTERFÉRENCES
Co-canal
Canal adjacent.
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INTERFÉRENCE CO-CANAL
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INTERFACE RADIO-MOBILE
Caractéristiques :
Complexité,
Diffusion.
Environnement de transmission :
Changeant,
Emetteurs/Récepteurs mobiles,
Multitrajets,
Limitation du spectre.
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UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences
SPECTRE
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Les ressources spectrales sont limitées.
Chaque pays a une agence gouvernementale pour
contrôler et allouer les ressources spectrales.
Les ressources spectrales sont contrôlées par :
Mondiale : International Telecommunications Union
(ITU).
USA : Federal Communications commission (FCC).
EU : European Telecommunications standards
Institute (ETSI).
Tunisia : Agence Nationale de la fréquence (ANF).
ALLOCATION DU SPECTRE DE FRÉQUENCE
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ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE
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ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE
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Des bandes de fréquences utilisés Gratuitement
Pour encourager l’innovation et les
implémentations de faible coûts.
Des systèmes sans fils ont vu succès grâce à cette
bande. ex : Bleutooth, Wireless LAN, téléphones
sans fils
BANDES DE FRÉQUENCES SANS LICENCE
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CONCEPT CELLULAIRE
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Problème de base = Comment desservir une
région de taille importante (pays, continent)
Avec une bande de fréquences limitée,
Avec une densité de trafic importante, qui varie dans
le temps et dans l’espace et pouvant augmenter,
Offrir des services téléphoniques et autres à des
usagers fixes et mobiles ?
Concept cellulaire avec réutilisation des
fréquences.
Mécanisme de réutilisation des fréquences :
Repose sur la propriété d’atténuation des signaux
avec la distance.
Cellules utilisant la même fréquence.
CONCEPT CELLULAIRE
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RÉUTILISATION DE LA FRÉQUENCE
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Principe: Repose sur l’utilisation des mêmes
fréquences porteuses pour couvrir des zones
différentes séparées par des distances suffisantes
pour que l’interférence co-canal ne soit pas
importante.
RÉUTILISATION DES FRÉQUENCES
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CONCEPT CELLULAIRE
Supposer que le système admet S=70 canaux
fréquentiels
Système Pre-cellulaire (avant le système cellulaire) :
Capacité du système
=
nb d’utilisateurs
simultanés
= 70 x 3 = 21048
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Diviser les 70 canaux en 7 groupes (A,B,C,D,E,F,G) de
10 canaux.
Les cellules qui utilisent le même groupe sont éloignées.
Capacité du système = nb
d’utilisateurs simultanés
= 10 x 7 x 3 = 210
Avec la même capacité, la
puissance de transmission a passé de
centaines de Watts à quelques
Watts, et même < 1 W par canal.
CONCEPT CELLULAIRE
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Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de
faible taille.
Capacité du système
= nb d’utilisateurs
simultanés >> 210
CONCEPT CELLULAIRE
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Pourquoi donc Concept cellulaire ?
Réduire la puissance de transmission
Augmenter la capacité du système
étaler la couverture par autant de cellules que
nécessaire
augmenter le nombre maximum des utilisateurs
accédant au réseau.
Réduire les interférences.
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La Forme de la cellule
Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une
forme circulaire (vue de dessus).
Le problème est que les cellules circulaires ne peuvent
pas être superposées sur une carte sans laisser des
zones incouvertes ou sans créer des zones de
chevauchement.
3 choix : Triangle équilatéral ou carré ou Hexagone.
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La Forme de la cellule
Une cellule doit être conçue pour servir les mobiles les
plus faibles au sein de l’empreinte (forme), et ceux-ci
sont généralement situé à la frontière de la cellule.
l’hexagone possède la plus grande superficie parmi les
trois fromes.
En utilisant la géométrie hexagonale, le plus petit
nombre de cellules peut couvrir une région
géographique
L’hexagone décrit mieux un cercle
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Cluster
La superficie totale de la couverture est
divisée en clusters
Le nombre de cellules N dans chaque Cluster
est appelé taille du cluster
les cellules dans un Cluster utilisent tous les
canaux fréquentiels il n’ya pas d’interférence
co-canal dans un même cluster, qui provient
de deux cellules utilisant la même bande
fréquentielle
Le cluster est reproduit sur toute la zone de
couverture.
ex : 3 Clusters de taille N=7.
Distance de réutilisation D = Distance
minimale entre les centres de deux cellules
utilisant la même canal fréquentiel.54
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Réutilisation de fréquence (N=4, N=7)
Facteur de réutilisation de fréquence=1/N
Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants.55
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Capacité
compromis : Des valeurs réduites de N peut engendrer des
interférences
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Taille du Cluster
N peut avoir certaines valeurs
précises selon i et j des entiers :
N = i2 + j2 + i x j
Pour localiser le co-canal le
plus proche :
Se déplacer i cellules le long
d’une chaîne d’hexagones, puis
Tourner 60 degrés contre le sens
de la montre et se déplacer j
cellules.
ex : i=3 ; j=2 N=19
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Localisation du co-canal pour N=3
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Localisation du co-canal pour N=3
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Géométrie de l’hexagone
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Exercice 1
Considérons un système cellulaire dont le nb total des canaux vocaux disponibles pour gérer le trafic est 960. L’aire de chaque cellule est de 6 km2 et la zone de couverture totale du système est de 2000 km2.
Calculer
1 ) Combien de fois un cluster de taille 4 doit être reproduit pour couvrir toute la zone ?
2 ) nb de canaux par cellule ?
3 ) la capacité du système si la taille de cluster, N est 4
4 ) la capacité du système si la taille de cluster est 7
5 ) Est-ce que la diminution de la taille de cluster N augmente la capacité du système ? Expliquez.
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Solution Pour N = 4
Zone d’un cluster avec réutilisation N = 4 : 4 x 6 = 24km2
Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=4 :
2000/24 = 83.33 ≈ 83
Nombre de canaux par cellule 960/4 = 240
La capacité du système : 83 x 960 = 79680 utilisateurs simultanés
Pour N=7
Zone d’un cluster avec réutilisation N = 7 : 7 x 6 = 42km2
Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=7 :
2000/42 = 47.62 ≈ 48
Nombre de canaux par cellule 960/7 = 137.15 ≈ 137
La capacité du système : 48 x 960 = 46080 utilisateurs simultanés
Il est évident que lorsqu’on diminue la valeur de N de 7 à 4, on
augmente la capacité du système de 46080 à 79680 canaux.
Ainsi, la diminution de la taille du cluster N augmente la
capacité du système.
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