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03/11/2019 1 RÉSEAUX MOBILES Dr. Ing. Ikbel DALY BRIKI Ecole Supérieure d’Economie Numérique

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RÉSEAUX MOBILES

Dr. Ing. Ikbel DALY BRIKI

Ecole Supérieure d’Economie Numérique

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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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