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1 | Page Télécommunications II Onde électromagnétique L' onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les rayonnements électromagnétiques . Elle est associée à la notion de photon . Il convient de bien distinguer : le rayonnement électromagnétique , qui est le phénomène étudié, et l'onde électromagnétique, qui est une des représentations du phénomène. Une onde lumineuse est une onde électromagnétique dont la longueur d'onde correspond au spectre visible , soit entre 380 et 780 nm soit 1.5 à 3 eV. Description Comme toutes les ondes , une onde électromagnétique peut s'analyser en utilisant l' analyse spectrale ; on peut décomposer l'onde en ondes dites « monochromatiques » (voir aussi Spectre d'ondes planes ). onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant (Le trièdre ( , , ) doit être direct) Une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un dipôle électrostatique vibrant, ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome intervenant dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié). Les variations des champs électrique et magnétique sont liées par les équations de Maxwell , on peut donc représenter l'onde par un seul de ces champs, en général le champ électrique. On peut alors écrire l'équation générale d'une onde plane monochromatique : ω est la pulsation et vaut est le vecteur position du point considéré, est le vecteur d'onde dont la norme vaut [1] , λ étant la longueur d'onde ; est la phase à l'origine.

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1 | P a g e

Télécommunications II Onde électromagnétique L'onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les rayonnements électromagnétiques. Elle est associée à la notion de photon.

Il convient de bien distinguer :

le rayonnement électromagnétique, qui est le phénomène étudié, et l'onde électromagnétique, qui est une des représentations du phénomène.

Une onde lumineuse est une onde électromagnétique dont la longueur d'onde correspond au spectre visible, soit entre 380 et 780 nm soit 1.5 à 3 eV.

Description Comme toutes les ondes, une onde électromagnétique peut s'analyser en utilisant l'analyse spectrale ; on peut décomposer l'onde en ondes dites « monochromatiques » (voir aussi Spectre d'ondes planes).

onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du

dipôle vibrant (Le trièdre ( , , ) doit être direct)

Une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un dipôle électrostatique vibrant, ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome intervenant dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié).

Les variations des champs électrique et magnétique sont liées par les équations de Maxwell, on peut donc représenter l'onde par un seul de ces champs, en général le champ électrique. On peut alors écrire l'équation générale d'une onde plane monochromatique :

ω est la pulsation et vaut est le vecteur position du point considéré,

est le vecteur d'onde dont la norme vaut [1], λ étant la longueur d'onde ; est la phase à l'origine.

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On utilise aussi fréquemment la forme complexe :

On obtiendra alors les grandeurs physiques, réelles, en prenant la partie réelle de cette forme complexe.

Propriétés

Polarisation

La polarisation correspond à la direction et à l'amplitude du champ électrique . Pour une onde non polarisée, ou naturelle, tourne autour de son axe de façon aléatoire et imprévisible au cours du temps. Polariser une onde correspond à donner une trajectoire définie au champ électrique. Il y a plusieurs sortes de polarisation:

La polarisation linéaire quand reste toujours dans le même plan. La polarisation circulaire, le champ magnétique tourne autour de son axe en formant un cercle. La polarisation elliptique, le champ magnétique tourne autour de son axe et change d'amplitude

pour former une ellipse.

Comportement ondulatoire [modifier]

Propagation Dans un milieu homogène et isotrope, l'onde électromagnétique se propage en ligne droite. Lors de la rencontre avec un obstacle, il y a diffraction ; lors d'un changement de milieu, il y a réflexion et réfraction, il y a aussi réfraction si les propriétés du milieu changent selon l'endroit (hétérogénéité). Voir aussi Principe de Huygens-Fresnel.

Réflexion Lors d'un changement de milieu de propagation, une partie de l'onde électromagnétique repart vers le milieu d'origine, c'est la réflexion. Le cas le plus connu de la réflexion est le miroir, mais celle-ci concerne également les rayons X (miroir à rayons X) et les ondes radio : réflexion sur la ionosphère des ondes mégahertz, antenne parabolique, réflexion sur la Lune…

Réfraction Lors d'un changement de milieu de propagation, si le second milieu est transparent pour l'onde, celle-ci se proprage dans le second milieu mais avec une direction différente. Cela concerne la lumière (lentille optique, mirage), mais aussi les ondes radio (réfraction des ondes décamétriques dans la ionosphère).

Diffusion Lorsqu'une onde rencontre un atome, elle se diffuse sur celui-ci, elle change de direction. On distingue la diffusion Rayleigh, dite « diffusion électronique », au cours de laquelle l'onde ne change pas de longueur d'onde, la diffusion Raman qui est une diffusion électronique avec diminution ou augmentation de longueur d'onde, et la diffusion Compton, dans le cas des rayons X diffusant sur des atomes légers, au cours de laquelle la longueur d'onde augmente.

Interférences

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Comme toutes les ondes, les ondes électromagnétiques peuvent interférer. Dans le cas des radiocommunications, cela provoque un parasitage du signal (voir aussi Rapport signal sur bruit).

Diffraction L'interférence d'ondes diffusées porte le nom de diffraction :

théorie de la diffraction ; diffraction par une fente ; fentes de Young ; réseau de diffraction ; diffraction de rayons X ; espace réciproque.

Flux d'énergie Le flux d'énergie à travers une surface est donné par le flux du vecteur de Poynting.

Dualité onde-corpuscule

La notion d'onde électromagnétique est complémentaire de celle de photon. En fait, l'onde fournit une description plus pertinente de la radiation pour les faibles fréquences (c'est-à-dire les grandes longueurs d'onde) comme les ondes radio.

En fait, l'onde électromagnétique représente deux choses :

la variation macroscopique du champ électrique et du champ magnétique ; la fonction d'onde du photon, c'est-à-dire que la norme au carré de l'onde est la probabilité de

présence d'un photon.

Lorsque le flux d'énergie est grand devant l'énergie des photons, on peut considérer que l'on a un flux quasi-continu de photons, et les deux notions se recouvrent. Ceci n'est plus vrai lorsque le flux d'énergie est faible (on envoie les photons un par un), la notion de « variation macroscopique » (moyenne) n'a alors plus de sens.

Le flux d'énergie est donné par le vecteur de Poynting. Chaque photon « emporte » une quantité d'énergie déterminée, valant E = h·ν, h étant la constante de Planck et ν la fréquence. On peut ainsi calculer le flux de photons à travers une surface.

Historique La théorie ondulatoire de la lumière a été principalement développée par Christiaan Huygens dans les années 1670, et par Augustin Fresnel. Elle s'opposait à l'époque à la théorie corpusculaire, défendue principalement par René Descartes. Huygens travaillait principalement sur les lois de réflexion et de réfraction, Fresnel développa notamment les notions d'interférence et de longueur d'onde. Les approches ondulatoires et corpusculaires furent réunies par Albert Einstein lorsque celui-ci établit le modèle du photon en 1905, dans ses travaux sur l'effet photo-électrique.

La grande avancée théorique fut la synthèse des lois de l'électromagnétisme par James Clerk Maxwell. Les équations de Maxwell prédisaient la vitesse des ondes électromagnétiques, et la mesure de la vitesse de la lumière démontra que la lumière était de nature électromagnétique.

Les ondes radio, à basse fréquence et grande longueur d'onde, furent découvertes à la fin du XIXe siècle avec les travaux notamment d'Alexandre Popov, Heinrich Hertz, Édouard Branly et de Nikola Tesla. Les rayons X, à haute fréquence et faible longueur d'onde, furent découverts par Wilhelm Röntgen en 1895.

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Notes 1. ↑ ce vecteur est parfois défini par 1/λ, l'équation de l'onde est alors

Propagation des ondes radio

Les ondes radioélectriques ou ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques qui se propagent de deux façons :

dans l'espace libre (propagation rayonnée, autour de la Terre par exemple) dans des lignes (propagation guidée, dans un câble coaxial ou un guide d'onde)

Le domaine des fréquences des ondes radio s'étend de 9 kHz à 3 000 GHz.

Pour la partie théorique, on se reportera à l'article Établissement de l'équation de propagation à partir des équations de Maxwell .

Intérêt de l'étude de la propagation des ondes radio Il peut être essentiel de comprendre les principes de la propagation des ondes pour pouvoir prédire les chances et les conditions d'établissement d'une liaison radio entre deux points de la surface de la Terre ou entre la Terre et un satellite.

Cela permet par exemple :

Le calcul de la puissance minimale d'un émetteur de radiodiffusion afin d'assurer une réception confortable sur une zone déterminée ;

la détermination de la position d'un relais pour la radiotéléphonie mobile ; l'estimation des chances d'établissement d'une liaison transcontinentale sur ondes courtes ; l'étude des phénomènes d'interférence entre émetteurs ; le calcul du champ électromagnétique à proximité d'un équipement d'émission (radar, relais,

émetteur de télévision...) pour déterminer les risques encourus par la population se trouvant à proximité.

Le niveau du signal reçu à l'extrémité du parcours sera plus ou moins élevé donc plus ou moins exploitable en fonction de la fréquence d'émission, l'époque par rapport au cycle solaire, la saison, l'heure du jour, la direction et la distance entre l'émetteur et la station réceptrice, etc. L'étude des lignes de transmission et des phénomènes de propagation d'un signal dans une ligne peut aider à optimiser les câbles utilisés dans l'établissement d'un réseau de transmission ou pour l'alimentation d'une antenne.

Dans l'espace Déplacement d'une onde électromagnétique dans l'espace

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Les ondes provoquées par la chute d'un caillou à la surface d'un étang se propagent comme des cercles concentriques. L'onde radio émise par l'antenne isotropique (c'est-à-dire rayonnant de façon uniforme dans toutes les directions de l'espace) peut être représentée par une succession de sphères concentriques. On peut imaginer une bulle se gonflant très vite, à la vitesse de la lumière c, très proche de 300 000 km/s. Au bout d'une seconde, la sphère a 600 000 km de diamètre. Si le milieu de propagation n'est pas isotrope et homogène, le front de l'onde ne sera pas une sphère.

Dès que l'onde électromagnétique s'est suffisamment éloignée de sa source (à une distance de l'ordre de la longueur d'onde), on peut la considérer comme constituée par l'association d'un champ électrique E et d'un champ magnétique H. Ces deux champs oscillants sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. Le rapport E/H entre l'amplitude de ces deux champs est égal à 377 ohms. La connaissance de l'un entraine la connaissance de l'autre. Pour cette raison, on définit en général l'amplitude de l'onde par l'amplitude de son champ électrique.

Comme une onde radio est une vibration, au bout d'une période, l'onde aura parcouru une distance lambda appelée longueur d'onde. La longueur d'onde est une caractéristique essentielle dans l'étude de la propagation ; pour une fréquence donnée, elle dépend de la vitesse de propagation de l'onde.

Variations du champ électrique

Plus on s'éloigne de l'antenne, plus l'intensité du champ électromagnétique rayonné est faible. Cette variation est régulière dans un espace homogène, dans le vide, par exemple. Dans ce cas, la puissance transportée par l'onde par unité de surface est inversement proportionnelle au carré de la distance à la source. Le champ électrique de l'onde est, lui, inversement proportionnel à la distance : le champ est divisé par deux si on se trouve deux fois plus loin. Si P est la puissance d'une source isotrope , si Eeff est le champ électrique à une distance D de cette source, on a la relation :

avec D beaucoup plus grand que la longueur d'onde du signal.

Ainsi, une source isotrope de 10 W produira un champ Eeff de 170 mVeff/m à une distance de 100 m.

(Souvent on trouve des formules faisant intervenir une antenne dipole demi-onde, ou le module du champ électrique, ce qui se traduit par un coefficient différent en dénominateur de la formule ci-dessus. )

Dans les conditions réelles de propagation, on aura presque toujours des obstacles à proximité du trajet de l'onde, ou des éléments qui pourront provoquer des réflexions. En particulier, comme la terre est ronde, il y aura toujours une distance à laquelle la source d'émission n'est plus en visibilité de l'antenne de réception. Par exemple, en terrain plat, si les antennes d'émission et de réception sont distantes de 30 km, il faudra qu'elles soient à 15 mètres au-dessus du sol pour obtenir la visibilité optique . Et même dans ce cas, il y aura déjà une atténuation du fait que l'ellipsoïde de Fresnel n'est pas dégagé aux fréquences basses.

Il faudra alors compter sur le phénomène de diffraction pour recevoir un signal, à moins que l'on soit dans le cas de réflexions ionosphériques (voir plus loin).

Pour une bonne réception, il est nécessaire que le champ électrique de l'onde captée ait un niveau suffisant. La valeur minimale de ce niveau dépend de la sensibilité du récepteur, du gain de l'antenne et du confort d'écoute souhaité. Dans le cas des transmissions numériques le confort d'écoute est remplacé par le niveau de fiabilité requis pour la transmission.

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Atténuation entre deux antennes

Dans le cas de la propagation en espace libre, c'est-à-dire ellipsoïde de Fresnel dégagé, et si les deux antennes ont même polarisation, il est possible de connaître le niveau de puissance reçu par une antenne de réception , en fonction de la distance à l'antenne d'émission et de la puissance de l'émetteur. Si l'antenne d'émission et l'antenne de réception sont isotropes ( gain 0db iso) , l'atténuation entre les deux antennes est:

A = 22dB + 20 log ( D/ lambda)

Par exemple, si une antenne isotrope reçoit de la part de l'émetteur une puissance PE de 10 W, à une fréquence de 150 MHz, on peut calculer ce que recevra une autre antenne isotrope placée à 1km:

lambda = 2m

PE = 10 w = 40 dBm

A= 22dB +20 log ( 1000/2) = 76 dB

PR = 40 dBm - 76 dB = -36 dBm

Pour plus de précisions, voir équation des télécommunications

Phénomènes de propagation des ondes radio Une onde radio se distingue d'un rayonnement lumineux par sa fréquence : quelques dizaines de kilohertz ou gigahertz pour la première, quelques centaines de térahertz pour la seconde. Évidemment l'influence de la fréquence de l'onde est déterminante pour sa propagation mais la plupart des phénomènes d'optique géométrique (réflexion...) s'appliquent aussi dans la propagation des ondes hertziennes. Dans la pratique il est fréquent que deux ou plusieurs phénomènes s'appliquent simultanément au trajet d'une onde : réflexion et diffusion, diffusion et réfraction... Ces phénomènes appliqués aux ondes radioélectriques permettent souvent d'établir des liaisons entre des points qui ne sont pas en vue directe.

Réflexion des ondes radio

Une onde peut se réfléchir sur une surface comme le sol, la surface de l'eau, un mur ou une voiture. On parle de réflexion spéculaire lorsque l'onde se réfléchit comme un rayon lumineux comme elle le ferait sur un miroir. Une onde dont la fréquence est de l'ordre de quelques mégahertz peut se réfléchir sur une des couches ionisées de la haute atmosphère. La réflexion d'une onde est plus généralement diffuse, l'onde se réfléchissant dans plusieurs directions ainsi qu'un rayon lumineux frappant une surface mate. Une antenne ou un miroir paraboliques fonctionnent de façon similaire.

Réfraction des ondes radio

Comme un rayon lumineux est dévié lorsqu'il passe d'un milieu d'indice de réfraction n1 à un autre d'indice n2, une onde radio peut subir un changement de direction dépendant à la fois de sa fréquence et de la variation de l'indice de réfraction. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de

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la propagation ionosphérique, la réflexion que subit une onde décamétrique dans l'ionosphère est en fait une suite continue de réfractions. Il est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d'onde est de quelques centimètres à quelques décimètres le phénomène observé avec une lentille ou un prisme en optique classique.

Diffraction des ondes radio

Lorsqu'une onde rencontre un obstacle de grande dimension par rapport à la longueur d'onde, celle-ci pourra être arrêtée par cet obstacle. Ce sera le cas d'une colline, d'une montagne, etc... Cependant, dans une certaine mesure, l'onde pourra contourner l'obstacle et continuer à se propager derrière celui-ci, à partir des limites de cet obstacle. Ainsi, une onde ne sera pas entièrement arrêtée par une montagne, mais pourra continuer à se propager à partir du sommet de la montagne, vers la plaine qui se trouve derrière... Ce franchissement de l'obstacle se fera avec une atténuation, parfois très importante.

Pour connaître l'atténuation supplémentaire apportée par l'obstacle, il faudra considérer "l'ellipsoïde de Fresnel"

En pratique, les calculs sont difficiles, et on utilise des logiciels de prévision de propagation.

La diffraction sera plus importante pour les fréquences basses : un émission kilométrique ( de quelques centaines de KHz) n'aura pas de difficulté pour franchir une montagne, alors qu'une émission décimétrique sera pratiquement arrêtée. Une émission centimétrique sera arrêtée même par une petite colline.

Diffusion des ondes radio

Le phénomène de diffusion peut se produire quand une onde rencontre un obstacle dont la surface n'est pas parfaitement plane et lisse. C'est le cas des couches ionisées, de la surface du sol dans les régions vallonnées (pour les longueurs d'ondes les plus grandes) ou de la surface des obstacles (falaises, forêts, constructions...) pour les ondes ultra-courtes (au-dessus de quelques centaines de mégahertz). Comme en optique, la diffusion dépend du rapport entre la longueur d'onde et les dimensions des obstacles ou des irrégularités à la surface des obstacles réfléchissants. Ces derniers peuvent être aussi variés que des rideaux de pluie (en hyperfréquences) ou les zones ionisées de la haute atmosphère lors des aurores polaires.

Interférence de deux ondes radio

Il faut distinguer le brouillage occasionné par deux signaux indépendants, mais possédant des fréquences très proches, du phénomène d'interférence apparaissant lorsque l'onde directe rayonnée par un émetteur est reçue en même temps qu'une onde réfléchie. Dans ce dernier cas, les temps de parcours des deux ondes sont différents et les deux signaux reçus sont déphasés. Plusieurs cas peuvent alors se présenter :

déphasage égal à un multiple de la période : les signaux sont en phase et se renforcent mutuellement. Leurs amplitudes s'ajoutent.

déphasage d'un multiple d'une demi-période : les signaux sont en opposition de phase et l'amplitude du plus faible se déduit de celle du plus fort. Si les deux signaux ont la même amplitude, le niveau du signal résultant est nul.

déphasage quelconque : l'amplitude du signal résultant est intermédiaire entre ces deux valeurs extrêmes.

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Les phénomènes d'interférences peuvent être très gênants lorsque le temps de parcours de l'onde indirecte varie : l'amplitude du signal reçu varie alors à un rythme plus ou moins rapide. Le phénomène d'interférence est utilisé dans des applications couvrant de nombreux domaines : mesure de vitesse, radiogoniométrie, ...

Le phénomène d'interférence est particulièrement gênant dans le cas des transmissions de signaux numériques: en effet, dans ce cas on pourra observer un taux d'erreurs sur les bits ( BER) important. En transmissions numériques , on parlera alors de d'interférences par trajets multiples. On peut distinguer les cas suivants:

- Si la différence temporelle entre les trajets est inférieure à la durée d'un symbole numérique ( moment) , l'interférence se traduira par des variations de niveaux du signal radio reçu.

- Si la différence temporelle entre les trajets est supérieure à la durée des moments, on aura une distorsion du signal démodulé.

Pour réduire ces phénomènes, on utilise aujourd'hui pour certains systèmes radio à haut débit le codage par "étalement de spectre".

Propagation en fonction de la gamme de fréquence

Ondes kilométriques

Elles se propagent principalement à très basse altitude, par onde de sol. Leur grande longueur d'onde permet le contournement des obstacles. Pour une même distance de l'émetteur, le niveau du signal reçu est très stable. Ce niveau décroît d'autant plus vite que la fréquence est élevée. Les ondes de fréquence très basse pénètrent un peu sous la surface du sol ou de la mer, ce qui permet de communiquer avec des sous-marins en plongée. Applications courantes : radiodiffusion sur Grandes Ondes (France-Inter, RTL...), diffusion des signaux horaires (horloges radio-pilotées)... La puissance de ces émetteurs est énorme : souvent plusieurs mégawatts pour obtenir une portée pouvant aller jusqu'à 1000 km.

Voir basse fréquence

Ondes hectométriques

Les stations de radiodiffusion sur la bande des Petites Ondes (entre 600 et 1500kHz) ont des puissances pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines de kilowatts. Elles utilisent encore l'onde de sol pour couvrir une zone ne dépassant guère une région française mais bénéficient après le coucher du soleil des phénomènes de propagation ionosphérique.

Ondes décamétriques

Les ondes courtes, bien connues des radioamateurs, permettent des liaisons intercontinentales avec des puissances de quelques milliwatts si la propagation ionosphérique le permet car l'onde de sol au-dessus de 2 ou 3 MHz ne porte guère au-delà de quelques dizaines de kilomètres. Entre 1 et 30 MHz, la réflexion des ondes sur les couches de l'ionosphère permet de s'affranchir du problème de l'horizon optique et d'obtenir en un seul bond une portée de plusieurs milliers de kilomètres. Mais ces résultats sont très variables et dépendent des modes de propagation du cycle solaire, de l'heure de la journée ou

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de la saison. Les ondes décamétriques ont cédé le pas aux satellites même si des calculs de prévision de propagation permettent de prédire avec une bonne fiabilité les heures d'ouverture, les fréquences maxima utilisables et le niveau du signal qui sera reçu.

Voir haute fréquence

Ondes métriques

Les ondes métriques correspondent à des fréquences comprises entre 30 et 300 MHz incluant la bande de radiodiffusion FM, les transmissions VHF des avions, la bande radioamateur des 2m... On les appelle aussi ondes ultra-courtes (OUC). Elles se propagent principalement en ligne droite mais réussissent à contourner les obstacles de dimensions ne dépassant pas quelques mètres. Elles se réfléchissent sur les murs, rochers, véhicules et exceptionnellement sur des nuages ionisés situés dans la couche E, vers 110 km d'altitude ce qui permet des liaisons à plus de 1000 km. En temps normal, la portée d'un émetteur de 10 watts avec une antenne omnidirective est de quelques dizaines de kilomètres.

Mais il arrive que l'indice de réfraction pour ces fréquences fasse s'incurver vers le sol une onde qui se serait perdue dans l'espace. Pour que cette courbure ait lieu, il faut que l'indice de l'air soit plus faible en altitude, ce qui est presque toujours le cas, du fait de la diminution de pression. Ainsi, quand on cherche à calculer l'horizon radioélectrique, on prend un rayon terrestre fictif de 8400 km, plus grand que la réalité. Mais si en plus, l'air est plus chaud en altitude, cette courbure augmente et peut être supérieure à la courbure de la terre; l'onde arrive alors à se propager très au-delà de l'horizon radioélectrique. Des liaisons à quelques centaines de kilomètres sont alors possibles. Les conditions météorologiques particulièrement favorables : inversion de température avec brouillard au sol ( canal de propagation à quelques centaines de mètres d'altitude, propagations en UHF en hiver), apparition d'un front chaud météorologique, 24 heures avant une perturbation ( canal de propagation entre 1000 et 3000m d'altitude, distances possibles au-delà de 1000km), nuit fraîche au sol et temps très calme comme certaines matinées d'automne... si la courbure suivie par l'onde est égale à la courbure de la terre, l'onde reste confinée à une certaine altitude, et seules les antennes situées à cette altitude subissent ce phénomène. Par contre, en milieu de journée ensoleillée, l'air peut être beaucoup plus chaud près du sol, et la courbure est réduite: on observe alors un déficit de propagation, et une portée réduite au-delà de la centaine de km.

Certains radioamateurs effectuent des liaisons à grandes distances en profitant de la réflexion des ondes métriques sur les traces ionisées par les chutes de météorites et aussi sur les zones ionisées associées aux aurores polaires.

Voir très haute fréquence

Ondes décimétriques et hyperfréquences

Plus sa fréquence augmente, plus le comportement d'une onde ressemble à celui d'un rayon lumineux. Les faisceaux hertziens permettent des liaisons à vue, comme le Télégraphe de Chappe, mais par tous les temps et avec des débits d'informations des milliards de fois plus élevés. Des obstacles de petites dimensions peuvent perturber la liaison ( voir ellipsoïde de Fresnel) . Ces ondes se réfléchissent facilement sur des obstacles de quelques mètres de dimension ; ce phénomène est exploité par les radars, y compris ceux utilisés aux bords des routes. C'est grâce aux réflexions sur les bâtiments qu'il est possible d'utiliser un téléphone portable sans être en vue directe de l'antenne du relais, mais les interférences entre ondes réfléchies rendent la communication difficile, obligeant l'utilisateur à changer d'endroit ou à se déplacer de quelques mètres simplement. Sur 10 GHz avec une puissance de quelques watts et des antennes paraboliques de moins d'un mètre de diamètre, il est possible d'effectuer des

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liaisons à plusieurs centaines de kilomètres de distance en se servant d'une montagne élevée comme réflecteur. Au-dessus de 10 gigahertz, le phénomène de diffusion peut se manifester sur des nuages de pluie (rain scatter), permettant à l'onde d'atteindre des endroits situés au-delà de l'horizon optique (sur des distances pouvant aller jusqu'a 800-900Km en 10Ghz!).

Comme pour les ondes métriques, la propagation en hyperfréquences peut être perturbée par la variation de l'indice de l'air. On pourra observer des portées de plusieurs centaines de km quand l'onde rencontrera une diminution de l'indice de l'air ( inversion de température par exemple) ; le phénomène est le même que pour les ondes métriques, mais comme le phénomène de guidage troposphérique implique des couches d'air d'au moins une centaine de longueur d'ondes d'épaisseur, on pourra observer parfois des propagations en hyperfréquence et pas en ondes métriques. Ces phénomènes de propagation anormales sont considérés comme des perturbations pour les systèmes de faisceaux hertziens, car ils peuvent donner lieu à des évanouissements, par exemple si le faisceau est dévié dans une autre direction que celle du récepteur. Par ailleurs, on observera souvent plusieurs trajets de l'onde, ce qui conduira encore à des évanouissements par trajets multiples, ou à des distorsions très dommageables pour les FH du fait de leur modulation numérique.

Du fait des phénomènes troposphériques, on définit pour une liaison à FH le pourcentage de temps pour lequel la liaison est garantie.

Voir hyperfréquences

Voir ellipsoïde de Fresnel

Prévisions de propagation Le niveau du signal émis par une station d'émission (émetteur et antenne) en un point de l'espace (ou de la surface de la Terre) peut être calculé avec une bonne précision si les principaux facteurs déterminant la transmission sont connus. À titre d'exemple prenons deux cas : liaison en vue directe sur 100 MHz et liaison à grande distance sur 10 MHz utilisant une réflexion sur la couche E. Nous n'effectuerons évidemment pas ici les calculs.

Liaison directe sur 100 MHz

On connaît :

La puissance de sortie de l'émetteur ; Le diagramme de rayonnement de l'antenne d'émission et en particulier le gain de celle-ci dans

la direction qui nous intéresse et sa hauteur par rapport au sol ; Le profil du terrain entre la station d'émission et le point de réception, tenant compte de la

rotondité de la Terre ; La distance entre émetteur et point de réception ;

Des logiciels plus ou moins sophistiqués permettent de faire rapidement ce genre de calcul qui peut éventuellement tenir compte de la conductivité du sol, des possibilités de réflexion, etc.

Si on ajoute les caractéristiques de la station de réception (antenne + récepteur), on pourra alors calculer le bilan de liaison, qui donnera la différence de niveau entre le signal utile et le bruit radioélectrique.

Liaison utilisant une réflexion sur la couche E

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Les informations nécessaires sont:

La puissance de l'émetteur ; le diagramme de rayonnement de l'antenne ; la position géographique de chacune des deux stations mais aussi ; la capacité de la couche E à réfléchir les ondes radio.

C'est le nombre de Wolf (ou Sun Spot Number, en abrégé : « SSN »), mais aussi la date et l'heure du jour de la tentative de liaison qui permettra au logiciel de calculer les possibilités de propagation ionosphérique. On connaîtra la probabilité d'établissement de la liaison en fonction de la fréquence pour un rapport signal sur bruit donné.

Propagation guidée Pour transporter de l'énergie à haute fréquence d'un point à un autre, on n'utilise pas une rallonge électrique ordinaire mais une ligne de transmission aux caractéristiques appropriées. Une ligne peut être constituée soit par un guide d'onde, tube métallique à l'intérieur duquel se propage l'onde, soit par une ligne en "mode TEM" , constituée en général par deux conducteurs parallèles. La ligne TEM est composée de deux conducteurs électriques parallèles séparés par un diélectrique, très bon isolant aux fréquences utilisées (air, téflon polyéthylène...). Si l'un des conducteurs est entouré par l'autre, on parle alors de ligne coaxiale.

Une ligne de transmission est censée ne pas rayonner. Cette condition est en pratique satisfaite avec un câble coaxial. Avec une ligne bifilaire, la distance entre les deux conducteurs doit être très petite par rapport à la longueur d'onde, et aucun obstacle ne doit se situer à proximité des deux conducteurs.

Aux hyperfréquences, on utilisera un guide d'onde qui , à longueur égale, aura moins de pertes qu'un câble coaxial.

Exemples de lignes de transmission

De l'émetteur à l'antenne on utilisera un câble coaxial pouvant supporter des tensions de plusieurs centaines ou milliers de volts sans claquage électrique.

Entre l'antenne parabolique et le récepteur de télévision par satellite les signaux de faible amplitude seront transportés par un câble coaxial présentant de faibles pertes à très haute fréquence.

L'antenne d'un radar utilisé pour le contrôle aérien est reliée aux équipements de détection à l'aide d'un guide d'onde, tuyau métallique à l'intérieur duquel se déplace l'onde.

Sur ondes courtes les radioamateurs utilisent parfois des lignes bifilaires pour alimenter leur antenne.

Sur un circuit imprimé, une piste au-dessus d'un plan de masse est une ligne transmettant le signal d'un point du circuit à un autre.

Une fibre optique n'est rien d'autre qu'une ligne de transmission pour une onde optique.

Formation d'une onde dans une ligne

Un générateur relié à une charge à l'aide d'une ligne va provoquer dans chacun des deux conducteurs de la ligne l'établissement d'un courant électrique et la formation d'une onde se déplaçant dans le diélectrique à une vitesse très grande. Cette vitesse est inférieure à la célérité de la lumière mais

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dépasse fréquemment 200 000 km/s, ce qui implique que, pour une fréquence donnée, la longueur de l'onde dans la ligne est plus petite que dans l'espace.

(longueur d'onde = célérité dans le milieu / fréquence )

Dans une ligne coaxiale, la vitesse de propagation est la même quelle que soit la fréquence, on dit que la ligne n'est pas dispersive.

Le problème est différent dans le cas de la propagation dans un guide d'ondes: Bien que la vitesse de propagation de l'énergie soit toujours inférieure à celle de la lumière,celle-ci dépend de la fréquence, et on constate par ailleurs que la longueur d'onde dans le guide est plus grande que dans l'air : Un guide d'onde est dispersif. Ce phénomène peut poser des problèmes dans le cas d'émissions large bande numériques.

Voir guide d'onde, vitesse de phase et vitesse de groupe

Ondes progressives

Lorsque la ligne est parfaitement adaptée à la charge, condition remplie lorsque l'impédance d'entrée de la charge est égale à l'impédance caractéristique de la ligne, cette dernière est parcourue seulement par des ondes progressives. Dans ce cas idéal la différence de potentiel entre les conducteurs et le courant qui circule dans ceux-ci ont la même valeur quel que soit l'endroit où la mesure est effectuée sur la ligne.

Voir Propagation des ondes.

Ondes stationnaires

Si la condition évoquée précédemment n'est pas remplie, ce qui arrive si l'impédance de la charge est différente de l'impédance caractéristique de la ligne, Une partie de l'énergie qui arrive sur la charge va être réfléchie, et une onde va se propager dans l'autre sens. La ligne va alors être le siège d'ondes stationnaires, interférences entre l'onde directe et l'onde réfléchie. La tension mesurable entre les deux fils ne sera plus constante sur toute la longueur de la ligne et vont apparaître :

des maxima de tension encore appelés ventres de tension correspondants à des nœuds de courant

des minima de tension ou nœuds de tension associés à des maxima de courant (ventres de courant).

Ce type de fonctionnement est généralement redouté si le taux d'ondes stationnaires (TOS) est élevé. Les surtensions correspondant aux ventres de tension peuvent endommager l'émetteur, voire la ligne. Les pertes par réflexion sur la charge sont élevées, et l'énergie émise par la source va revenir sur celle-ci.

On peut utiliser des lignes en court-circuit ou ouvertes pour réaliser des résonateurs et des filtres. Le TOS élevé signifiera un Q élevé pour le résonateur.

Voir Propagation des ondes.

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Pertes dans la ligne

La résistance électrique (non nulle) des conducteurs constituant la ligne et l'isolement (non infini) du diélectrique, provoquent un affaiblissement de l'amplitude de l'onde progressive parcourant la ligne.

Ces pertes ont un double inconvénient :

affaiblissement du signal reçu et diminution de la sensibilité du système de réception. réduction de la puissance transmise à l'antenne par l'émetteur.

Les pertes en ligne s'expriment en dB/m (décibel/mètre de longueur) et dépendent de nombreux facteurs :

nature du diélectrique (matière, forme...) type de ligne (bifilaire ou coaxiale) fréquence de travail

Exemple : un câble coaxial très commun (ref. RG58A) d'une longueur de 30 mètres présente 6dB de pertes à 130MHz.A cette fréquence, si l'on applique une puissance de 100 watts à l'entrée de cette ligne on ne retrouvera que 25 watts à son extrémité, avec une perte de 6dB. À la fréquence de 6MHz on retrouvera 95 watts et la perte n'est plus que de 1 décibel.

Les pertes, si elles sont exprimées en décibels, sont proportionnelles à la longueur de la ligne.

Bibliographie Electricité par G. Goudet; applications des équations de Maxwell; éditions Masson 1967.

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Sensibilité électromagnétique La sensibilité électromagnétique (ou électro-sensibilité, ou électro-hypersensibilité (HSEM)) est un trouble dans lequel une personne subit des symptômes physiques ou psychologiques qui selon elle sont causés ou aggravés par des champs électromagnétiques ou des ondes électromagnétiques.

Les proportions de personnes électrosensibles varient de quelques personnes par million à 8 % des personnes interrogées ; la sensibilité électromagnétique est officiellement considérée comme un handicap (et non une maladie) en Suède[1]. Dans certains cas, les personnes sont tellement affectées qu'elles s'isolent et sont amenées à cesser le travail et changer leur style de vie, alors que d'autres personnes rapportent des symptômes moins sévères qui entraînent un évitement de certaines sources de champs électromagnétiques[2].

La question de l'impact sur la santé de l'exposition à des champs électromagnétiques ne fait pas unanimité, mais des études en double aveugle ont montré que les champs électromagnétiques n’étaient pas à l’origine des symptômes, qui sont donc d’origine psychologique[3]. Une revue de la littérature de mars 2005 sur les études scientifiques portant sur ce phénomène, montra que sept études scientifiques trouvaient une association entre exposition et symptômes, alors que vingt-quatre études n'en trouvaient aucune. Cependant, sur les sept études, deux n'ont pas pu être reproduites même par leur auteurs initiaux, trois ont des biais méthodologiques importants, et les deux derniers présentaient des résultats contradictoires[4]. De même, l’Organisation mondiale de la santé (OMS) considère qu’il n’y a pas d’éléments scientifiques qui permettraient d'appuyer l’affirmation que la sensibilité électromagnétique soit réellement causée par les champs électromagnétiques, et non par des troubles psychologiques[2].

Cependant, des associations pensent que le phénomène est causé par des expositions électromagnétiques, et mettent en cause les moniteurs d'ordinateur, les antennes-relais de la téléphonie mobile, les lignes à haute tension, les transformateurs électriques ou encore les téléphones mobiles eux-mêmes. Elles s’appuient entre autres sur le rapport Bioinitiative rédigé par quatorze scientifiques[5] membres de la Bioelectromagnetics Society[6] qui prétend apporter des preuves scientifiques concernant les effets sanitaires des champs électromagnétiques, et qui décrit un ensemble d'inadaptations de normes et définit des valeurs-seuil plus protectrices de la santé. La Bioelectromagnetics Society n’approuve pas cette étude, et selon elle, « des recherches par des spécialistes de physique théorique suggèrent que l’exposition [à des champs de radiofréquence non-thermiques] ne provoquera rien d’autre sur les être vivants, que, s’ils sont suffisamment puissants, une élévation locale de la température. Mais les physiciens ne peuvent pas tout connaître, aussi ils se tournent vers les biologistes, et découvrent que les bases de données ne contiennent aucune démonstration scientifiquement reproductible d’un effet néfaste sur la santé, même après 50 ou 60 ans de recherche scientifique[7]. »

Description et prévalence de la sensibilité électromagnétique

Définition

L’Organisation mondiale de la santé (OMS) écrit en 2005 :

« Depuis quelque temps, un certain nombre d'individus signalent divers problèmes de santé qu'ils attribuent à leur exposition aux [champs électro-magnétiques]. Si certains rapportent des symptômes bénins et réagissent en évitant autant qu'ils le peuvent ces champs, d'autres sont si gravement affectés

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qu'ils cessent de travailler et modifient totalement leur mode de vie. Cette sensibilité présumée aux [champs électro-magnétiques] est généralement appelée "hypersensibilité électromagnétique" (HSEM)[2]. »

Symptômes

Les symptômes rapportés sont très divers. Il n'existe pas de profil symptomatique spécifique, ce qui signifie que les symptômes peuvent s'apparenter à d'autres troubles ou maladies. Ces symptômes sont également fréquemment rencontrés dans la « population générale ».

Selon l’OMS, l’hypersensibilité électromagnétique « est caractérisée par divers symptômes que les individus touchés attribuent à l'exposition aux CEM. Parmi les symptômes les plus fréquemment présentés, on peut mentionner des symptômes dermatologiques (rougeurs, picotements et sensations de brûlure), des symptômes neurasthéniques et végétatifs (fatigue, lassitude, difficultés de concentration, étourdissements, nausées, palpitations cardiaques et troubles digestifs). Cet ensemble de symptômes ne fait partie d'aucun syndrome reconnu[2]. »

Plusieurs auteurs ont analysé les symptômes décrits par des électrosensibles. Dans l’étude de Hillert et ses collègues (2002)[8], le symptôme le plus fréquemment cité est la fatigue, suivie de problèmes dermatologiques au visage, de sensations de lourdeur dans la tête, d'irritation des yeux, de nez bouché ou encombré, de maux de tête, de difficultés de concentration, etc. Röösli et ses collègues (2004)[9], quant à eux, décrivent en ordre décroissant des troubles du sommeil, des maux de tête, de la nervosité/angoisse, de la fatigue, des difficultés de concentration, du tinnitus, des vertiges, des douleurs dans les membres... Ces auteurs n'observent pas de différences entre les symptômes cités par les hommes et les femmes. Les résultats de Schüz et al. (2006) rejoignent les résultats précédents : le symptôme cité le plus fréquemment est la fatigue, suivie de difficultés de concentration, de troubles du sommeil, de lassitude, de mauvaise humeur, d'inconscience, de maux de tête, de sensations de faiblesse...

Chez certaines personnes, on observe une évolution de l’électrosensibilité vers la chronicité. Les conséquences sont très diverses :

Souffrances physiques et psychologiques (occupation des pensées, anxiété, état dépressif, stress...)

Comportements d'évitement de l'exposition Organisation de la vie du patient autour de ce problème Absentéisme, incapacité de travail Isolement social Difficultés financières dues aux déménagements et aménagements électriques de la maison…

Parfois, une incompréhension de l'entourage professionnel et familial et la non reconnaissance du monde médical aggravent encore l'isolement de la personne électrosensible. Plusieurs auteurs parlent d'un cercle vicieux où symptômes, associations de ces derniers à une (des) source(s) électromagnétique et comportements d'évitement se succèdent, s'amplifient et s’auto-entretiennent.

Prévalence de l’électro-sensibilité

Les estimations sur la prévalence dans la population de l’électro-sensibilité sont très variables. La prévalence varie de quelques individus par million dans la population, à des chiffres bien plus élevés. Approximativement 10 % des cas signalés d’électro-sensibilité ont été considérés comme graves[2].

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Une étude européenne (Bergqvist et al., 1997[10]) décrivait davantage de cas en Suède, au Danemark et en Allemagne et moins de cas en France, en Autriche et au Royaume-Uni (gradient Nord-Sud). Dans cette même étude, les sources d'exposition étaient intérieures (par ex. : écrans d'ordinateur) dans les pays scandinaves et extérieures (par ex.: lignes à haute tension et antenne GSM) dans d'autres régions.

Sur simples sondages, les proportions de personnes électrosensibles varient de quelques personnes par million à 8 % des personnes interrogées :

3,2 % de personnes électrosensibles parmi les personnes interrogées par Levallois et al. (2002)[11] en Californie.

1,5 % des répondants se disent électrosensibles dans l'étude de Hillert et al. (2002)[8] en Suède. 6 % de la population allemande se dit électrosensible dans l'étude de Schroeder (2002)[12]. 4,2 % des femmes et 1,7 % des hommes dans la population étudiée est "electromagnetic

sensible" dans l'étude de Leitgeb & Schröttner (2003)[13]. Cette sensibilité est définie à partir d'un seuil de perception du courant.

3,5 % des répondants se disent électrosensibles dans l'étude de Schrottner & Leitgeb (2008)[14] en Autriche.

2,7 % de la population étudiée (en Suisse) par Schreier et al. (2006) rapportent des effets négatifs sur la santé attribués aux champs électriques et magnétiques. 2,2 % rapportent avoir subi de tels effets dans le passé.

Dans l'enquête de la Commission Européenne (Bergqvist et al, 1997[10]), les questionnaires ont été envoyés dans 138 centres de médecine du travail et 15 groupes d'entraide (taux de réponse de respectivement 49 et 67 %). La fréquence varie de quelques personnes par million (en Angleterre, Italie et France, selon les médecins du travail) à quelques dixièmes de pourcent (au Danemark, en Irlande et Suède, selon les groupes d'entraide).

Étiologie, diagnostic et preuves scientifiques Des études étiologiques ont été menées pour rechercher les causes de cette maladie.

Tests en double aveugle

En 2005, une étude exhaustive de la littérature scientifique a analysé les résultats de trente-et-une expériences qui testaient si les champs électromagnétiques causaient l’électrosensibilité. Chaque expérience exposait en laboratoire des personnes qui se déclaraient atteintes d’électrosensibilité à des champs électriques et/ou magnétiques fictifs ou réels, à de multiples fréquences, dans des études en double aveugle (le sujet et l’agent expérimentateur à ses côtés ne savent pas si le champ est fictif ou réel ; le sujet doit déterminer s'il a été exposé (détection du champ) et rapporter d'éventuels symptômes, il est parfois soumis également à différents tests de mémoire et d'attention.)[4]. Cette étude concluait que :

« Les symptômes décrits par les personnes souffrant de « électro-hypersensibilité » peuvent être sévères et parfois handicapants. Cependant, il s’est révélé difficile de montrer que, dans des études en aveugle, l’exposition à des champs magnétiques pouvaient être à l’origine de ces symptômes. Ceci suggère que l’électro-hypersensibilité n’est pas reliée à la présence de champs magnétiques, bien que des recherches supplémentaires sur ce phénomène soient nécessaires[15]. »

Depuis, plusieurs autres expériences en double aveugle ont été menées et publiées, chacune montrant que les personnes qui se déclarent atteintes de sensibilité électromagnétique sont incapables de détecter la présence de champs électromagnétiques et la probabilité qu’elles ressentent des symptômes de maladie est la même en présence d’une exposition fictive ou d’une exposition réelle[16],[17],[18].

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Plusieurs personnes ont critiqué cette étude, mais des réponses ont été apportées aux objections, et les nombreuses études montrent que les champs électromagnétiques « ne causent pas les symptômes ressentis[19],[20] ».

Un rapport de 2005 de l’Agence de protection sanitaire du Royaume-Uni conluait que l’électrosensibilité devait être prise en considération par d’autres voies que son étiologie : les souffrances sont réelles, même si les causes de ces souffrances ne sont pas définies[21]. Selon le groupe d'experts de la Commission européenne (Bergqvist et al, 1997[10]) et le groupe de travail de l’OMS[2], le terme « électrosensibilité » n'implique pas une relation entre les champs électromagnétiques et des symptômes sanitaires.

Diagnostic

Il est difficile d'établir un diagnostic d'électrosensibilité car il n'existe pas de signes cliniques spécifiques objectivés ou de marqueurs pathophysiologiques spécifiques ou sensibles permettant de caractériser cette intolérance. Aucun mécanisme biophysique plausible n’est connu. Les symptômes et la souffrance de ces personnes sont réels, ils sont liés à la perception d'un risque à l'exposition aux champs et aux craintes engendrées.

Sources incriminées

Mats et antennes GSM.

Les sources incriminées sont toujours plus répandues dans nos sociétés modernes. Une étude par questionnaire de Röösli et al. (2004)[22] ont analysé les causes des symptômes que les personnes touchées suspectent.

Dans l'étude de Röösli et al. (2004), les causes suspectées citées par les 167 électrosensibles interrogés étaient en ordre décroissant, les antennes de téléphonie mobile, suivies des GSM, des téléphones sans fil (type DECT), des lignes à haute tension, des transmetteurs de radiodiffusion, des écrans d'ordinateur, des lignes de train/tram, des transformateurs, des écrans de TV, des appareils électriques et de l'éclairage.

Il n'existe pas de réelle spécificité des symptômes en fonction de la source. Schreier et coll. (2006)[23] notent que des inquiétudes sont plus souvent exprimées à l'égard des antennes de téléphonie mobile et des lignes à haute tension par rapport au GSM, appareils électriques et téléphone sans fil. Des résultats similaires ont été obtenus dans une autre étude (Siegrist et coll., 2005[24]) et en Autriche (Hutter et coll., 2004).

Des associations pensent que le phénomène est causé par des expositions électromagnétiques, et mettent en cause les moniteurs d'ordinateur, les antennes-relais de la téléphonie mobile, les lignes à

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haute tension, les transformateurs électriques ou encore les téléphones mobiles eux-mêmes. Elles s’appuient entre autres sur le rapport Bioinitiative rédigé par quelques scientifques membres de la Bioelectromagnetics Society[25] qui aurait apporté des preuves scientifiques concernant les effets sanitaires des champs électromagnétiques. Une étude d’un membre de ce groupe allait dans ce sens, sans rien démontrer[26]. La Bioelectromagnetics Society n’approuve pas les résultats de ces quelques membres[27].

Traitement En l'absence de démonstration d'un lien de cause à effet et de critères diagnostiques définis, la première étape consiste à rejeter toute pathologie médicale connue qui pourrait expliquer les symptômes. À partir de l'identification des conditions médicales, psychosociales et environnementales de la personne électrosensible, une prise en charge individualisée, multidisciplinaire et globale devrait être privilégiée.

Le choix d'une thérapie doit se baser sur la présentation clinique, ainsi que sur la réponse au traitement. De nombreuses techniques thérapeutiques ont fait l'objet de publications et parmi celles-ci, les thérapies cognitivo-comportementales s'avèrent les plus efficaces (Rubin et al., 2006[28]; Irvine, 2005[29]; Hillert et al., 2002[8]).

Hillert et al. (2002)[8] indiquent que le pronostic est meilleur lorsque la prise en charge est réalisée précocement et lorsque les symptômes sont associés au travail sur écran de visualisation. Soulignons encore qu'une rémission spontanée est observée dans un certain nombre de cas.

Röösli et al. (2004) ont analysé les moyens mis en œuvre pour éviter les symptômes. Réduire l'exposition est souvent considérée comme un moyen momentanément ou partiellement efficace dans l'amélioration de la symptomatologie par les personnes qui s'en plaignent. Mais la réduction de l'exposition semble entraîner la personne électrosensible dans une spirale d'évitements et d'aménagements qui ont des conséquences parfois importantes en termes de coûts, d'isolement social et professionnel et de qualité de vie.

Étant donné que les plaintes rapportées le sont généralement pour des niveaux d'exposition habituellement rencontrés dans notre vie quotidienne, cette solution devrait, au préalable, être mûrement réfléchie à la lumière des évaluations de l'exposition et des données scientifiques dans le domaine.

Perspectives de recherche Des recherches sont encore nécessaires afin de mieux comprendre les causes et d'autres aspects de la symptomatologie ainsi que pour tester l'efficacité des méthodes thérapeutiques destinées à aider les personnes qui se plaignent d'électrosensibilité.

L'hypothèse selon laquelle les électrosensibles auraient une plus grande réactivité du système nerveux central (Wang et coll., 1994[30]; Sandström, 1997; Lyskov et coll., 2001[31]) est également à suivre. Il s'agirait d'une prédisposition physiologique qui entraînerait une sensibilité plus grande aux stresseurs environnementaux.

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Spectre électromagnétique Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence (ou période), d'énergie des photons ou encore de longueur d’onde associée, les quatre grandeurs ν (fréquence), p (période), E (énergie) et λ (longueur d’onde) étant liées deux à deux par :

la constante de Planck (approx. 6,626069×10-34 J·s ≈ 4,13567 meV/Hz) et la vitesse de la lumière (exactement 299 792 458 m/s),

selon les formules :

pour l’énergie transportée par le photon, pour le déplacement dans le vide (relativiste dans tous les référenciels) du

photon,

d’où aussi :

.

Histoire Le terme spectre fut employé pour la première fois en 1666 par Isaac Newton pour se référer au phénomène par lequel un prisme de verre peut séparer les couleurs contenues dans la lumière du Soleil.

Unités de mesures Pour les ondes radio et la lumière, on utilise habituellement la longueur d'onde. À partir des rayons X, les longueurs d'ondes sont rarement utilisées : comme on a affaire à des particules très énergétiques, l'énergie correspondant au photon X ou γ détecté est plus utile. Cette énergie est exprimée en électron-volt (eV), soit l'énergie d'un électron accéléré par un potentiel de 1 volt.

Le domaine visible du spectre électromagnétique

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Spectre lumineux

Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d'onde, de la fréquence ou de l'énergie des photons

La lumière blanche peut se décomposer en arc-en-ciel à l'aide d'un prisme ou d'un réseau de diffraction. Chaque « couleur spectrale » de cette décomposition correspond à une longueur d’onde précise ; cependant, la physiologie de la perception des couleurs fait qu'une couleur vue ne correspond pas nécessairement à une radiation de longueur d’onde unique mais peut être une superposition de radiations monochromatiques. La spectrométrie étudie les procédés de décomposition, d’observation et de mesure des radiations en ondes monochromatiques.

Les photons de lumière visible les plus énergétiques (violet) sont à 3 eV. Les rayons X couvrent la gamme 100 eV à 100 keV. Les rayons γ sont au-delà de 100 keV. Des photons γ de plus de 100 MeV (100 000 000 eV) émis par un quasar ont été détectés.

Usages et classification Les définitions des bandes mentionnées dans le tableau sont les suivantes (normalisation internationale effectuée par l’UIT) ; elles sont aussi communément désignées par leur catégorie de longueur d’onde métrique :

Bande de fréquences Longueurs d’onde Usages Bande TLF (Tremendously Low Frequency)

moins de 3 Hz

Ondes gigamétriques

∝ à 100 Mm

Champs magnétiques, ondes et bruits électromagnétiques naturels, ondes gravitationnelles

Bande ELF (Extremely Low Frequency)

3 Hz à 30 Hz

Ondes mégamétriques

100 Mm à 10 Mm

Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes du cerveau humain, recherches en géophysique, raies spectrales moléculaires

Bande SLF (Super Low Frequency)

30 Hz à 300 Hz

9 Mm à 1 Mm

Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes physiologiques animales et humaines, ondes des lignes de distribution électriques, usages inductifs industriels, télécommandes EDF Pulsadis, harmoniques d’ondes électriques

Bande ULF (Ultra Low Frequency)

300 Hz à 3 kHz

999 km à 100 km

Ondes électromagnétiques naturelles notamment des orages solaires, ondes physiologiques humaines, ondes électriques des réseaux téléphoniques et ADSL, harmoniques d’ondes électriques, signalisation TVM des TGV

Bande VLF (Very Low Frequency)

3 kHz à 30 kHz

Ondes myriamétriques

99 km à 10 km

Ondes électromagnétiques naturelles, radiocommunications submaritimes militaires, transmissions par CPL, systèmes de radionavigation, émetteurs de signaux horaires,

Bande LF (Low Frequency)

30 kHz à 300 kHz

Ondes kilométriques

9 km à 1 km

Ondes électromagnétiques naturelles des orages terrestres, radiocommunications maritimes et submaritimes, transmissions par CPL, radiodiffusion en OL, émetteurs de signaux horaires, systèmes de radionavigation

Bande MF (Medium

300 kHz à

Ondes hectométriques

9 hm à 1 hm

Systèmes de radionavigation, radiodiffusion en OM, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radioamateurs, signaux horaires.

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Frequency) 3 MHz

Bande HF (High Frequency)

3 MHz à 30 MHz

Ondes décamétriques

9 dm à 1 dm

Radiodiffusion internationale, radioamateurs, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radiocommunications militaires et d’ambassades, aide humanitaire, transmissions gouvernementales, applications inductives autorisées, signaux horaires, CB en 27 MHz, radar NOSTRADAMUS

Bande VHF (Very High Frequency)

30 MHz à 300 MHz

Ondes métriques

9 m à 1 m

Radiodiffusion et télédiffusion, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires, liaisons des secours publics, radionavigation et radiocommunications aéronautiques, radioamateurs, satellites météo, radioastronomie, recherches spatiales

Bande UHF (Ultra High Frequency)

300 MHz à 3 GHz

Ondes décimétriques

9 dm à 1 dm

Télédiffusion, radiodiffusion numérique, radioamateurs, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires y compris aéronautiques, liaisons gouvernementales, liaisons satellites, FH terrestres, radiolocalisation et radionavigation, services de la DGAC, usages spatiaux, satellites météo, téléphonie GSM et UMTS, liaisons Wi-Fi et Bluetooth, systèmes radar, fours micro-ondes.

Bande SHF (Super High Frequency)

3 GHz à 30 GHz

Ondes centimétriques

9 cm à 1 cm

FH terrestres et par satellite, systèmes radar, liaisons et FH militaires divers, systèmes BLR, radioastronomie et usages spatiaux, radiodiffusion et télédiffusion par satellite, liaisons Wi-Fi,

Bande EHF (Extremely High Frequency)

30 GHz à 300 GHz

Ondes millimétriques

9 mm à 1 mm

FH terrestres et par satellite, recherches spatiales, radioastronomie, satellites divers, liaisons et FH militaires, radioamateurs, systèmes radar, raies spectrales moléculaires, expérimentations et recherches scientifiques

Bande THF (Tremendously High Frequency)

300 GHz à 300 EHz

Ondes micrométriques ou nanométriques

9 µm à 1 nm

Ondes infrarouges C (300 GHz à 100 THz) o Infrarouges extrêmes (300 GHz à 19,986 THz) o Infrarouges lointains (19,986 à 49,965 THz) o Infrarouges moyens (49,965 à 99,930 THz)

Infrarouges proches (99,930 à 399,723 THz) o Ondes infrarouges B (100 à 214 THz) o Ondes infrarouges A (214 à 374,740 THz) o Transition vers le rouge (374,740 à 384,349 THz)

Lumière visible par l’homme (couleurs « spectrales ») : o Ondes visibles rouges (745 à 625 à nm) o Ondes visibles oranges (625 à 590 à nm) o Ondes visibles jaunes (590 à 565 nm) o Ondes visibles vertes (565 à 520 nm) o Ondes visibles cyanes (520 à 490 nm) o Ondes visibles bleues (490 à 445 nm) o Ondes visibles indigos (445 à 420 nm) o Ondes visibles violettes (420 à 380 nm)

Transition vers les ultraviolets (788,927 THz à 749,481 THz) Ultraviolet :

o Ultraviolets UV-A (749,481 THz à 951,722 THz) o Ultraviolets UV-B (951,722 THz à 1070,687 THz) o Ultraviolets UV-C (1070,687 THz à 1498,962 THz) o Ultraviolets V-UV (1498,962 THz à 3 PHz) o Ultraviolets X-UV, transition vers les rayons X (3 PHz à 300

PHz) Rayonnements dits « ionisants » :

o Rayons X : Rayons X mous (300 PHz à 3 EHz) Rayons X durs (3 EHz à 30 EHz)

o Rayons gamma : Rayons gamma mous (30 EHz à 300 EHz) Rayons gamma durs (plus de 300 EHz) (au delà de

la bande THF)

Spectre d'émission Des atomes ou molécules excités (par exemple par chocs) se désexcitent en émettant une onde électromagnétique. Celle-ci peut se décomposer en une superposition d'ondes sinusoïdales (monochromatiques) caractérisées par leurs longueurs d'onde. Le spectre est constitué par l'ensemble des longueurs d'ondes présentes. On peut le matérialiser à l'aide d'un prisme de décomposition de la

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lumière en un ensemble de lignes, les raies spectrales, qui correspondent aux différentes longueurs d'ondes émises. Pour plus de précision, on peut également représenter ce spectre comme un graphe de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

L'observation du spectre d'émission de l'hydrogène se fait au moyen d'un tube Geissler qui comporte deux électrodes et de l'hydrogène sous faible pression. Les électrodes sont soumises à une différence de potentiel de 1000 V. L'important champ électrique accélère les ions présents qui par chocs excitent les atomes d'hydrogène. Lors de leur désexcitation, ils émettent de la lumière qui est analysée par un spectroscope. Dans tous les cas on observe (dans le visible) le même spectre composé de 4 raies (spectres de raies) aux longueurs d'ondes : 410 nm, 434 nm, 486 nm, 656 nm.

Niels Bohr interprétera alors l'émission de lumière par l'émission d'un photon lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie à un autre. Le spectre d'émission de n'importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément.

Spectre d'absorption Le principe est exactement le même que celui du spectre d'émission : à un niveau d'énergie donné correspond une longueur d'onde. Mais au lieu d'exciter de la matière (par exemple en la chauffant) pour qu'elle émette de la lumière, on l'éclaire avec de la lumière blanche (donc contenant toutes les longueurs d'ondes) pour voir quelles longueurs d'ondes sont absorbées. Les niveaux d'énergie étant caractéristiques de chaque élément, le spectre d'absorption d'un élément est exactement le complémentaire du spectre d'émission. On s'en sert notamment en astrophysique : par exemple, pour déterminer la composition de nuages gazeux, on étudie leur spectre d'absorption en se servant des étoiles se situant en arrière-plan comme source de lumière. C'est d'une manière générale le but de la spectrographie d'absorption : identifier des éléments inconnus (ou des mélanges) par leur spectre.

Spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique : Radioélectricité · Spectre radiofréquence · Bandes VHF-UHF · Spectre micro-ondes

Fréquence Longueur

d’onde

9 kHz 33 km 1 GHz

30 cm 300 GHz 1 mm 3 THz

100 µm 405 THz 745 nm 480 THz

625 nm 508 THz 590 nm 530 THz

565 nm 577 THz 520 nm 612 THz

490 nm 690 THz 435 nm 750 THz

400 nm 30 PHz 10 nm 30 EHz

10 pm

Bande ondes radio

micro-ondes

térahertz

infrarouge

rouge orange jaune vert cyan bleu violet ultraviolet rayons X

rayons γ

rayonnements pénétrants lumière visible rayonnements ionisants

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Onde radio

Une onde radioélectrique (dite onde radio) est une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 3 000 GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 0,1 mm.

Définition et réglementation Le domaine des radiocommunications est réglementé par l'Union internationale des télécommunications (UIT) qui a établi un règlement des radiocommunications dans lequel on peut lire la définition suivante :

Ondes radioélectriques ou ondes hertziennes : « ondes électromagnétiques dont la fréquence est par convention inférieure à 3 000 GHz, se propageant dans l'espace sans guide artificiel » ; elles sont comprises entre 9 kHz et 3 000 GHz, ce qui correspond à des longueurs d'onde de 33 km à 0,1 mm.[1]

Les ondes de fréquence inférieure à 9 kHz sont cependant des ondes radio, mais ne sont pas réglementées.

Les ondes de fréquence supérieure à 3 000 GHz sont classées dans les ondes infrarouge, car la technologie associée à leur utilisation est actuellement de type optique et non électrique, mais cette frontière est artificielle, il n'y a pas de différence de nature entre ondes radio et ondes lumineuses (et les autres ondes électromagnétiques).

Spectre radiofréquence

Terminologie officielle

Une onde radio est classée en fonction de sa fréquence exprimée en Hz ou cycles par seconde ; l'ensemble de ces fréquences constitue le spectre radiofréquence. Le spectre est divisé conventionnellement en bandes d'une décade, dont les appellations internationales sont normalisées. Les appellations francophone équivalentes sont parfois également utilisées dans les textes français.

Désignation internationale

Désignation francophone Fréquence

Longueur d’onde

autres appellations

ELF (extremely low frequency)

EBF (extrêmement basse fréquence) 3 Hz à 30 Hz 100 000 km à

10 000 km

SLF (super low frequency)

SBF (super basse fréquence)

30 Hz à 300 Hz

10 000 km à 1 000 km

ULF (ultra low frequency)

UBF (ultra basse fréquence)

300 Hz à 3 000 Hz

1 000 km à 100 km

VLF (very low frequency)

TBF (très basse fréquence)

3 kHz à 30 kHz 100 km à 10 km ondes myriamétriques

LF (low frequency) BF (basse fréquence) 30 kHz à 300 kHz 10 km à 1 km

grandes ondes ou ondes longues ou kilométriques

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MF (medium frequency)

MF (moyenne fréquence)

300 kHz à 3 MHz 1 km à 100 m

petites ondes ou ondes moyennes ou hectométriques

HF (high frequency) HF (haute fréquence) 3 MHz à 30 MHz 100 m à 10 m ondes courtes ou

décamétriques

VHF (very high frequency)

THF (très haute fréquence)

30 MHz à 300 MHz 10 m à 1 m ondes ultra-courtes ou

métriques

UHF (ultra high frequency)

UHF (ultra haute fréquence)

300 MHz à 3 GHz 1 m à 10 cm ondes décimétriques

SHF (super high frequency)

SHF (supra haute fréquence)

3 GHz à 30 GHz 10 cm à 1 cm ondes centimétriques

EHF (extremely high frequency)

EHF (extrêmement haute fréquence)

30 GHz à 300 GHz 1 cm à 1 mm ondes millimétriques

Terahertz térahertz

300 GHz à 3 000 GHz 1 mm à 100 µm ondes

submillimétriques

Autres appellations

Pour éviter les ambiguïtés avec le vocabulaire de l'acoustique et de la sonorisation, on utilise le terme « audiofréquence » de préférence à « basse fréquence » pour désigner des ondes acoustiques ou des signaux électriques dans la bande 30 Hz à 30 kHz

D'autres appellations de bandes ou sous-bandes sont également utilisées en fonction des habitudes techniques :

Les bandes des micro-ondes ou « hyperfréquences » entre 400 MHz et 30 GHz sont historiquement découpées en demi-octaves correspondant aux guide d'onde standards, appelées : bandes U, L, S, C, X, K (elle-même découpée en Ku et Ka). Cette terminologie est encore très utilisée.

La bande de 1 600 kHz à 3 000 kHz est souvent appelée MHF. Le terme « moyenne fréquence » désignait la fréquence d'amplification fixe des récepteurs

superhétérodynes : on lui préfère aujourd'hui le terme « fréquence intermédiaire » non ambigu. Les bandes de radiodiffusion et de télévision terrestre ont également des appellations

standardisées : bandes I, II, III en VHF, IV et V en UHF et bandes GO en LF, PO en MF, OC en HF.

Enfin, certaines bandes ont reçu l'appellation de leur usage réglementaire : ainsi, les bandes ISM sont les bandes allouées aux usages domestiques sans licence[2].

Propagation Comme toutes les ondes électromagnétiques, les ondes radio se propagent dans l'espace vide à la vitesse de la lumière et avec une atténuation proportionnelle au carré de la distance parcourue selon l'équation des télécommunications.

Dans l'atmosphère, elles subissent en outre des atténuations liées aux précipitations, et peuvent être réfléchies ou guidées par la partie de la haute atmosphère appelée ionosphère.

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Elles sont atténuées ou déviées par les obstacles, selon leur longueur d'onde, la nature du matériau, sa forme et sa dimension. Pour simplifier, un matériau conducteur aura un effet de réflexion, alors qu'un matériau diélectrique produira une déviation, et l'effet est lié au rapport entre la dimension de l'objet et la longueur d'onde.

Utilisation

Diagramme d'atténuation de l'atmosphère selon la longueur d'onde

Chaque fréquence radioélectrique subit différemment les divers effets de propagation, ce qui explique leur choix selon l'application. Ainsi, par exemple, l'atmosphère terrestre bloque les émissions vers l'espace hors de certaines bandes, qui sont donc privilégiées pour la radioastronomie et les satellites. Certaines fréquences sont absorbées par les molécules d'eau, donc utilisées pour les fours à micro-ondes, d'autres sont au contraire réfléchies par les précipitations et utilisées pour les radars météo, etc.

L'autre critère clé est la bande passante utilisable et l'encombrement du spectre par les multiples applications et services : toute application demande une bande passante, qui doit lui être affectée sous peine de brouillage mutuel. Par exemple la télévision ne peut utiliser que des fréquences élevées VHF ou UHF.

Enfin la technologie disponible permet progressivement d'utiliser des bandes de fréquence de plus en plus haute. Ainsi, par exemple les SHF et EHF n'étaient pas utilisables avant l'invention du magnétron.

Types de modulation d'une onde radio Les ondes radio sont modulées pour porter une information (un signal), par exemple en modulation d'amplitude pour la radio AM, en modulation de fréquence pour la radio FM, en modulation de phase dans d'autres applications ou en modulation d'impulsion pour les radars.

Gestion et attribution des fréquences radioélectriques La demande en bande passante pour les télécommunications ou les radars, ainsi que la protection de fréquences de radioastronomie fait du spectre radioélectrique une ressource rare qui doit être réglementée mondialement.

L'attribution des radiofréquences s'effectue dans le cadre d'organismes internationaux, en particulier la Conférence mondiale des radiocommunications (CMR) et l'Union internationale des télécommunications (UIT).

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Risques sanitaires liés aux ondes radioélectriques Les dangers encourus en présence de champs radioélectriques intenses ont été très tôt soulevés en particulier à l’apparition des fours à micro-ondes dans les foyers, pour les personnes habitant à proximité des émetteurs militaires de très forte puissance ou pour les personnels travaillant près des radars. Plus récemment, le danger éventuellement lié aux téléphones portables a amené à définir une mesure normalisée de rayonnement, mais les limites de tolérance sont encore sujettes à discussions.

Mesure du spectre radioélectrique Les mesures professionnelles sur les ondes électromagnétiques nécessitent une antenne étalonné adaptée aux fréquences à mesurer, suivie d’un appareil de mesure électronique de type :

analyseur de spectre pour la mesure des amplitudes et fréquences de diverses composantes d’une bande ;

analyseur de champ électromagnétique (ou mesureur de champ) pour les mesures d’intensité de champ ou de compatibilité électromagnétique.

L’analyse en amateur des bandes courantes LF à UHF peut s’effectuer avec un récepteur étalonné (scanner). L’analyse dans les bandes basses VLF à ELF s’effectue en général avec des logiciels FFT après numérisation directe dans un ordinateur individuel.

Usage du terme « onde hertziennne » S'agissant des ondes radioélectriques, le terme « ondes hertziennes » en est un synomyme. Selon la définition de l'UIT, le terme « hertzien [3]» ne couvre que les signaux transmis par rayonnement — il s'agit là du rayonnement électromagnétique — c'est-à-dire sans support matériel[4], par exemple aussi bien la télévision terrestre que par satellite et tous les autres modes de transmission sans fil dans le spectre de fréquence de ces ondes [5],[6].

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Fréquence

Ondes sinusoïdales de fréquences différentes : celle du bas a la plus plus haute fréquence et celle du haut, la plus basse.

La fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps, c'est-à-dire le nombre de fois qu'un phénomène temporel régulier se reproduit identique à lui-même par intervalle de temps donné. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on sous-entend la plupart du temps une fréquence temporelle.

Toutefois, on applique aussi le terme de fréquence, par analogie, dans d'autres domaines ; par exemple, lorsqu'un phénomène paraît régulier et périodique, non en temps, mais dans l'espace, on peut alors lui associer une fréquence spatiale, comme c'est le cas pour l'optique de Fourier.

En étude statistique, ou en génétique des populations, on parle aussi de fréquence pour désigner un nombre d'éléments par rapport à un groupe plus large auquel ils appartiennent. Cette fréquence statistique peut s'exprimer en pour cent ou en fraction de 1 (1 signifiant 100 % du groupe).

Caractéristiques d'une fréquence temporelle Cette section est vide, pas assez détaillée ou incomplète. Votre aide est la bienvenue !

La fréquence temporelle f est l'inverse de la période T, soit . Si l'unité de temps choisie est la seconde, la fréquence est alors mesurée en hertz, symbole Hz, dans le système international d'unités. Plus la valeur en hertz est élevée et plus la durée en seconde est courte.

Domaines d'utilisation [modifier] Le terme fréquence est très général et s'applique aussi bien à la physique des phénomènes ondulatoires qu'à la vie de tous les jours : dans ce dernier cas on considèrera la fréquence d'un évènement ( passage d'un autobus, tenue d'une assemblée, nombre de coups de marteau dans un temps donné ).

En physique

Dans le domaine de la physique ondulatoire on parlera d'une fréquence :

d'oscillation mécanique (ressort, corde vibrante, vibration du réseau cristallin, vibration de molécules, etc...),

d'oscillation acoustique dans le domaine audible (sonore) ou inaudible (infrasons, ultrasons ...) d'oscillation électromagnétique ( lumière visible, infrarouge, ultraviolet, etc... ). Voir, par

exemple, le spectre radiofréquence :

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Spectre radiofréquence

Spectre électromagnétique : Radioélectricité · Spectre radiofréquence · Bandes VHF-UHF · Spectre micro-ondes

Fréquence Longueur

d’onde

3 Hz 100 M

m

30 Hz 10 M

m

300 Hz

1 Mm

3 kHz 100 k

m

30 kHz

10 km

300 kHz

1 km

3 MHz

1 hm

30 MHz

1 dam

300 MHz

1 m

3 GHz

1 dm

30 GHz

1 cm

300 GHz

1 mm

Bandes

alias

radiophonie

ELF EBF

SLF SBF

ULF UBF

VLF TBF

myria- métriqu

e

LF BF

kilo- métriqu

e GO/OL

(LW)

MF MF

hecto- métriqu

e PO/OM (MW)

HF HF

déca- métriqu

e OC

(SW)

VHF THF

métrique FM/OUC (FM/US

W)

UHF UHF déci-

métrique

SHF SHF centi-

métrique

EHF EHF milli-

métrique

La fréquence est également utilisée pour quantifier la "puissance" d'un microprocesseur (voir Fréquence du processeur). Dans ce cas, la fréquence permet de connaître le nombre d'opérations par seconde que peut effectuer le composant (exemple : un processeur d'horloge 2Ghz = 2 000 000 000 d'opérations par seconde).

En musique

En musique, la fréquence est reliée à la hauteur des sons entendus. La fréquence est exprimée en Hz, comme ci-dessus. Le spectre de fréquence entendu par l'oreille humaine s'étend environ de 20 à 20 000 Hz. La fréquence du la 440 a été établie comme fréquence de référence.

Mathématiquement, il est possible de faire plusieurs calculs entre les notes musicales et leurs fréquences. Une fréquence doublée donne une octave, tandis qu'une fréquence additionnée de son octave inférieure donne une quinte. Ensuite, l'addition d'une fréquence de 2 octaves inférieures donne une tierce. Par exemple :

Fréquence Note Intervalle Calcul 110 La Octave 440/4 220 La Octave 440/2 440 La Octave (référence) 550 Do# Tierce Majeure 440 + 110 660 Mi Quinte juste 440 + 220 990 Si Quinte juste (Mi-Si) 660 + 330

Par contre, ces intervalles sont purs et non-tempérés; par conséquent, ils sonnent légèrement faux.

Voir aussi : Hauteur (musique) Voir aussi : Gamme naturelle

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Global System for Mobile Communications

Générations et normes de téléphonie mobile

2G

GSM iDEN D-AMPS CDMA PDC CSD IS-95 IS-136 DCS 1800 DECT

2,5G

GPRS HSCSD WiDEN

2,75G

CDMA 2000 1xRTT EDGE

3G

W-CDMA o UMTS o FOMA

CDMA 2000 1xEV TD-SCDMA

3,5G

HSDPA

3,75G

HSUPA

4G

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Le Global System for Mobile Communications ou GSM (historiquement Groupe Spécial Mobile) est une norme numérique de seconde génération pour la téléphonie mobile. Elle fut établie en 1982 par le CEPT (Conférence des Administrations Européennes des Postes et Télécommunications).

Elle a été mise au point par l'ETSI sur la gamme de fréquence des 900 MHz. Une variante appelée Digital Communication System (DCS) utilise la gamme des 1800 MHz. Cette norme est particulièrement utilisée en Europe, en Afrique, au Moyen-Orient et en Asie. Deux autres variantes en 850 MHz et en 1900 MHz (PCS) sont également utilisées. La protection des données est assurée par les algorithmes de chiffrement A5/1 et A5/2. Une norme GSM-400, utilisant les fréquences de 450 MHz ou 480 MHz, est également à l'étude.

Tel qu'il a été conçu, le réseau GSM est idéal pour les communications de type 'voix'. Le réseau étant commuté, les ressources ne sont allouées que pour la durée de la conversation, comme lors de l'utilisation de lignes téléphoniques fixes. Les clients peuvent soit acheter une carte prépayée, soit souscrire un abonnement.

Dans certains pays et régions (par exemple en Belgique et sur l'île de la Réunion, ainsi que sur l'île de Batz), le terme GSM est utilisé par métonymie pour désigner un téléphone mobile.

Historique

Premier téléphone GSM français

Le concept cellulaire provient des réseaux de première génération. Chaque point de couverture était un rayon de 50 kilomètres avec, au centre de chaque cercle de couverture, un relais et une station de base. Ces cercles étant assemblés ou non, sans se soucier d'un quelconque problème de roaming. Chaque utilisateur se trouvant dans le rayon de couverture avait une bande statique allouée à son téléphone, ceci avec ou sans communication téléphonique. Ainsi chaque station pouvait fournir autant de canaux de communication que de bandes de fréquence disponibles. Ce système, peu fiable, fut remplacé par un autre système permettant d'allouer une bande de fréquence uniquement si l'utilisateur en avait besoin, permettant aussi d'augmenter potentiellement le nombre d'abonnés jusqu'à un certain stade, dans l'hypothèse où tous les abonnés ne téléphonent pas en même temps. Le système du GSM était à ses balbutiements. Les antennes des BTS alors nécessitaient des puissances assez importantes (jusqu'à 8 watts de façon courante) et les mobiles également. Cependant, et afin d'éviter les interférences, chaque cercle de couverture ne pouvait pas réutiliser les mêmes fréquences réduisant ainsi le spectre fréquentiel.

HC-SDMA o iBurst

LTE WiMax

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En 1987, les choix technologiques concernant l'utilisation des télécommunications mobiles sont fixés par le groupe GSM. Ainsi la transmission numérique, le chiffrement des informations et le multiplexage temporel des canaux radios seront utilisés.

1991, première communication expérimentale faite par le groupe GSM. Le sigle GSM change également de signification pour devenir Global System for Mobile communications. Les spécifications techniques sont améliorées pour pouvoir fonctionner dans la bande des 1800 MHz.

GSM 850 et 1900 Ils sont présents aux États-Unis et au Canada. Certains pays n'utilisent que la norme GSM 850 (Équateur, Panama…). Le GSM 1900 est également appelé PCS 1900 (Personal Communications Service).

GSM 900 et 1800 On rencontre ces deux types de réseaux en Europe, notamment, en Belgique, Espagne, France.

Le GSM 900 utilise la bande 890-915 MHz pour l'envoi des données et la bande 935-960 MHz pour la réception des informations.

Le GSM 1800 utilise la bande 1710-1785 MHz pour l'envoi des données et la bande 1805-1880 MHz pour la réception des informations.

Les appareils qui fonctionnent tant en 900 que 1800 sont appelés GSM dual band ou simplement dual band.

Le GSM 1800 est également appelé DCS 1800 (Digital Communication Systems).

GSM 400

Une antenne relais GSM sur un toit de Paris

L'implantation d'un réseau GSM en 900 Mhz avec une bonne couverture est souvent difficile dans beaucoup de pays en développement. Les étendues à couvrir sont énormes, la densité de population très faible par endroit et les moyens financiers pour mettre en place l'infrastructure sont réduits. Le principal problème dans les zones peu peuplées est le nombre élevé de stations de base à installer. Même les pays industrialisés sont confrontés à ce problème de couverture dans les zones rurales.

L'utilisation de fréquences moins élevées augmenterait sensiblement la portée des stations de base. Ainsi en 450 MHz, leur portée serait près du double de ce qu'elle serait en 900 MHz. Ericsson[1] et Nokia[2] travaillent à la mise au point d'une norme GSM fonctionnant en 450 Mhz[3] ou en 480 Mhz[4].

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Dans la bande 450, les fréquences utilisées seraient 450,4 à 457,6 MHz pour les liaisons montantes (GSM vers station de base) et 460,4 à 467,6 MHz pour les liaisons descendantes.

Dans la bande 480, les fréquences seraient 478,8 à 486 MHz en émission et 488,8 à 496 MHz en réception (base vers mobile).

Les pays qui avaient un réseau de téléphonie mobile analogique NMT-450 pourraient réutiliser ces fréquences pour le GSM-400 (450 MHz)

Avec ces fréquences, la couverture pourrait atteindre 120 km. C'est particulièrement bien adapté aux zones côtières, désertiques ou rurales, là où le trafic est faible et le terrain plat.

L'identification des appareils

Carte SIM à l'intérieur d'un téléphone, la batterie étant enlevée.

Les téléphones mobiles contiennent une carte SIM qui permet d'identifier l'utilisateur et parfois de stocker un certain nombre de numéros de téléphone. Chaque appareil est identifié, quelle que soit sa marque, par un numéro IMEI que l'on obtient, en entrant sur le clavier, la séquence : *#06#. Il convient de noter ce numéro et de le signaler à son opérateur, en cas de vol, de façon à procéder à son blocage. Cet identifiant ne doit pas être confondu avec l'IMSI contenu en SIM.

Le code PIN est le mot de passe de la carte SIM, le code PUK est le code de déblocage à utiliser en cas de blocage suite à l'introduction de multiples mots de passe erronés.

Cependant, sur un réseau cellulaire, un appareil est identifié via un TMSI (Temporary Mobile Station Identifier). Grâce à ce système de IMSI/TMSI, un téléphone portable ne voit pas son numéro d'appel divulgué sur le réseau, ce qui permet la confidentialité des appels : comme les TMSI changent souvent et sont parfois attribués à plusieurs appareils en même temps, une personne interceptant le trafic a très peu de chance d'associer un numéro de téléphone à un TMSI.

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Architecture réseau et protocole

Structure simplifiée d'un réseau GSM (sans GPRS)

Le réseau spécifique pour le GSM s'appelle PLMN (Public Land Mobile Network), chaque opérateur ayant le sien propre. Il est relié au Réseau Téléphonique Commuté Public (RTCP).

Communication entre le téléphone mobile et la station de base

L'AMRT (accès multiple à répartition dans le temps) et l'AMRF (accès multiple à répartition en fréquence) sont utilisées pour permettre à davantage d'utilisateurs d'être connectés sans saturer le réseau.

Caractéristiques de l'interface radio [modifier]

Le GSM utilise deux bandes de fréquences, l'une pour la voie montante(TX), l'autre pour la voie descendante(RX) plus un TS de signalisation, la puissance du signal est modulée selon la distance entre l'antenne et le GSM considéré, ce qui permet de déterminer dans la pratique la distance entre un utilisateur et l'antenne.

La bande 890-915 MHz est utilisée pour la voie montante, tandis que la bande 935-960 MHz est utilisée pour la voie descendante. Chacune de ces bandes comprend 124 porteuses (canaux) de 200 kHz chacune. La modulation utilisée sur ces porteuses est la GMSK, qui permet d'éviter les chevauchements des porteuses.

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Chaque porteuse comporte huit time slots (TS). Ils durent environ 577 µs. Les canaux physiques sont ces slots.

Chaque porteuse a un débit brut de 271 kbit/s, tandis que les canaux physiques ont donc un débit brut de 33,8 kbit/s. Le débit utile est quant à lui de 24,7 kbit/s.

Le plan de fréquence GSM est assez complexe car il faut répartir les longueurs d'ondes utilisées entre les antennes de manière à éviter un effet de mise en résonance qui brouillerait les communications. Donc, la portée des antennes ainsi que la distribution des longueurs est un travail assez délicat afin que les cellules ne se brouillent pas entre elles(une cellule=la surface radiante d'une antenne). À noter que dans la pratique, un GSM voit toujours 3 antennes en permanence, celle sur laquelle il est actuellement attaché et deux de réserve sur lesquelles il permutera dès que la puissance nécessaire de communication entre son antenne actuelle et l'un des antennes de réserve deviendrait moins forte, la règle étant d'utiliser en permanence l'énergie minimale pour communiquer.

Services Le réseau GSM permet plusieurs services :

la voix ; les données (le WAP, le Fax ou bien comme un modem filaire classique) ; les messages écrits courts ou SMS ainsi que leur successeur, le MMS ou Multimedia Messaging

Service ; le Cell Broadcast (diffusion dans les cellules), qui permet d'envoyer le même SMS à tous les abonnés à

l'intérieur d'une zone géographique ; les services supplémentaires (renvois d'appels, présentation du numéro, etc.) ; les services à valeur ajoutée comme par exemple les services de localisation (Location Based Services),

d'information à la demande (météo, horoscope), de banque (consultation de compte, recharge de compte prépayés).

Le GSM dans le monde Les réseaux GSM (Global system communication) couvrent 208 pays ou territoires en Aout 2008. Les États-Unis qui utilisaient une autre norme possèdent maintenant une couverture GSM de presque tout le territoire[5]

En Belgique, il existe trois opérateurs : Base, Mobistar, Proximus. GSM ou plus familièrement G est également l'expression couramment utilisée pour désigner un téléphone portable en Belgique, tant francophone que néerlandophone.

Proximus est une entreprise appartenant à Belgacom, l'opérateur historique (Vodafone possédait une participation de 25 %, mais celle-ci a été rachetée par Belgacom en août 2006). Proximus détient le plus grand nombre de clients pour la téléphonie mobile : 4 200 000 en décembre 2004, soit 52 % des parts du marché. Il avait commencé à offrir des services pour le 900 MHz puis pour le 1800 MHz.

Mobistar est une entreprise créée en 1995 par France Télécom avec le groupe belge Telinfo, elle a également commencé à offrir des services pour le 900 MHz avant de proposer aussi le 1800 MHz.

Base, détenu par Royal KPN), est le dernier opérateur à apparaître sur le marché belge. Il a dès le début proposé le 1800 MHz mais sans permettre le 900 MHz.

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En France, il existe trois opérateurs :

Orange France, via Orange, est une filiale de France Télécom, l'opérateur historique de téléphonie fixe français. Elle s'appelait autrefois France Télécom Mobile, et opérait sous les trois marques Itinéris, Ola et Mobicarte. (22,5 millions d'abonnés mobiles en 2006)

SFR (groupe SFR-Cegetel) est un opérateur privé de téléphonie mobile qui appartient à Vivendi Universal et à Vodafone.

Bouygues Telecom est une filiale du groupe Bouygues, lequel est propriétaire notamment de la chaîne de télévision TF1.

Les trois réseaux proposent un accès aux services 900 MHz et 1800 MHz, maintenant complétés par la technologie plus récente dite UMTS pour Orange, SFR et Bouygues Telecom.

En Italie, il existe quatre opérateurs :

TIM Telecom Italia Mobile Tre sigle qui signifie le chiffre 3 Vodafone Wind société fondée en 1997 par les groupes ENEL, France Télécom et Deutsche Telekom, mais à

100 % italienne depuis 2003, troisième opérateur italien (détient environ 19 % du marché).

Tre appartient à la Mobile Media Company du Groupe Hutchison Whampoa de téléphonie mobile œuvrant en Italie, non cotée en bourse, et qui a son siège social de même que son siège d'exploitation à Milan. Tre a été le premier opérateur à fournir en Italie les services de téléphonie mobile au standard UMTS (W-CDMA) ; la compagnie est propriétaire du réseau UMTS, tandis que pour les zones non desservies directement, elle a conclu un accord de roaming avec le réseau GSM/GPRS de TIM. Tre Italia est le premier opérateur Italien et Européen pour le nombre de clients UMTS/HSDPA/DVB-H.

Une antenne mobile pour GSM, en suisse

Le Burkina Faso compte trois opérateurs :

Telmob, filiale de l'Office National des Télécommunications (ONATEL), l'opérateur historique. Celtel Burkina (Filiale de Celtel International). Telecel Faso (Filiale de Atlantique Telecom).

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Code Division Multiple Access

Dans le domaine des télécommunications, Code division multiple access (CDMA), en français Accès multiple par répartition en code (AMRC), est un système de codage des transmissions, basé sur la technique d'étalement de spectre. Il permet à plusieurs liaisons numériques d'utiliser simultanément la même fréquence porteuse. Il est appliqué dans les réseaux de téléphonie mobile dans le segment d'accès radio, par plus de 275 opérateurs dans le monde surtout en Asie et en Amérique du nord. Il est aussi utilisé dans les télécommunications spatiales, militaires essentiellement, et dans les systèmes de navigation par satellites comme le GPS, Glonass ou Galileo. Dans le domaine des services mobiles, tous les déploiements CDMA en cours au niveau international utilisent la variante "troisième génération" (3G) de la norme, connue sous le nom de CDMA 2000. Celle-ci permet aux opérateurs de proposer à leurs abonnés notamment des services d'accès à l'internet à haut débit via la technologie Evolution-Data Optimized (EV-DO). A la fin de 2007, avec 3.1 milliards d'abonnés à l'échelle mondiale (contre seulement 431 millions d'abonnés CDMA), la technologie GSM est dominante sur le marché des services de base 2G/2.5G. En revanche la technologie CDMA 2000 continue d'être la technologie de services mobiles 3G la plus déployée avec une part de marché d'environ 70% (contre 29% pour l'UMTS/W-CDMA/HSDPA).

Statistiques Selon le CDMA development Group[1], à la fin 2007, 275 opérateurs dans plus 100 pays ont déployé (ou sont en train de déployer) des services CDMA commerciaux dans les bandes de fréquences de 450, 700, 800, 1700, 1900 et 2100 MHz. Les premiers services commerciaux CDMA sont apparus en 1996 et les premiers services CDMA 3G ont très rapidement suivi (dès le début des années 2000). La migration de la 2G/2.5G à la 3G en CDMA ne présente pas de barrière économique aussi importante que pour le GSM (par exemple il n'a pas été nécessaire d'investir dans de nouvelles stations de base). Ayant réussi à rentrer dans la fenêtre de marché, la norme CDMA2000 est à la fin de 2007 dominante sur le marché des services mobiles 3G au niveau mondial (environ 70 pour cents de part de marché selon le rapport Infonetics Research[2]). Il y a environ 418 millions d'abonnés CDMA2000, dont plus de 90 millions d'utilisateurs EV-DO.

Nombre d'abonnés cdmaOne et CDMA2000 au 31 décembre 2007 :

Total mondial: 431 100 000 Région Asie - Pacifique: 210 800 000. Les grands opérateurs déployant la technologie

CDMA2000/EV-DO comprennent notamment Au by KDDI, SK Telecom, Reliance Infocomm, China Unicom...

Région Amérique du Nord: 137 500 000; Le nombre total d'abonnés aux services data mobiles[3] est évalué à 2 millions, dont 3% (64.000) avec la technologie W-CDMA/HSDPA et 97% (2 Millions) avec la technologie CDMA2000/EV-DO; Les grands opérateurs déployant la technologie CDMA2000/EV-DO comprennent notamment Verizon, Sprint, Bell Canada, Telus...

Région Caraïbe & Amérique Latine: 69 200 000 Région Europe, Moyen Orient & Afrique: 13 600 000

Chiffre d'affaires des opérateurs en 2007 avec les services CDMA2000/EV-DO au niveau mondial: 2,5 milliards de dollars

47% dans la région Asie-Pacifique 44% en Amérique du Nord

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Origines C'est une actrice hollywoodienne, Hedy Lamarr, aidée de George Antheil, qui est à l'origine de ce système, en déposant un brevet en 1941. Ils proposaient cette technique pour que le guidage radio de torpilles ne puisse être intercepté par l'ennemi. Cependant, l'armée américaine a attendu que le brevet expire pour l'exploiter.

Techniques Pour la téléphonie mobile, trois techniques sont envisageables pour faire passer plusieurs canaux sur la même fréquence porteuse : le multiplexage temporel (AMRT, en anglais TDMA), le multiplexage de fréquence (AMRF, en anglais FDMA) et le multiplexage par code (AMRC, en anglais CDMA).

La norme GSM ne recourt pas à l'AMRC, mais à l'AMRT et à l'AMRF.

Le standard actuel est le CDMA-2000.

Standards CDMA-2000 (Code Division Multiple Access) est une évolution du système CDMAOne utilisé aux États-Unis d'Amérique. Il permet des débits allant théoriquement jusqu'à 2 Mbit/s

Le standard CDMA-2000 est basé sur l'interface radio CDMA développé à l'origine par l'armée Américaine. CDMA-2000 est développé par le 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project #2) qui regroupe la TIA en Amérique, L'ARIB, le CWTS et TTA en Asie Pacifique et le forum international TTC.

L'ETSI Européen ainsi que le T1P1 américain n'en font pas partie et se concentrent uniquement sur l'UMTS.

Le CDMA-2000 est un standard américain TIA sous la référence IS-2000.

CDMA et Étalement de spectre Développé dans les années 1980 pour les communications par satellite, le CDMA consiste à « étaler le spectre » au moyen d'un code alloué à chaque communication. Le récepteur utilise ce même code pour démoduler le signal qu'il reçoit et extraire l'information utile. Le code lui-même ne transporte aucune information. L'opération nécessite d'importantes capacités de calcul, donc des composants plus coûteux pour les terminaux grand public. En revanche, les opérateurs ont recours au CDMA pour les liaisons par satellite de leur réseau fixe.

Il existe deux manières d'étaler le spectre :

Séquence directe : chaque bit d'information est remplacé par une série de bits, que nous appellerons code; cette série est extraite d'une séquence pseudo-aléatoire. Imaginons un débit R de 10 kbit/s nécessitant une bande passante de 10 KHz. En remplaçant chaque bit par son code (disons 10 bits par code), on multiplie le débit transmis par 10, ce qui donne 100 kbit/s. Le fait de transmettre 10 fois plus vite élargit donc le spectre transmis dans un rapport 10. Concrètement, on augmente le débit des transmissions, mais le débit d'information utile est inchangé après décodage.

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Évasion ou Saut de fréquence : on utilise N fréquences pour une communication. Le choix des fréquences se fait selon un modèle prédéfini à l'avance (afin de permettre au récepteur de récupérer la communication). On dit que le FH est lent si l'on change de fréquence après l'envoi de plusieurs symboles, ou rapide si l'on change de fréquences durant l'envoi d'un symbole.

Le W-CDMA Alors que le CDMA et CDMA-2000 étaient des systèmes de répartition en mode circuits, l'introduction du mode paquet et l'élargissement du spectre ont débouché sur le Wideband-CDMA (W-CDMA) couche physique du standard UMTS.

Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE acronyme anglais de tranchant (d'une lame)) est une norme de téléphonie mobile, une évolution du GSM. Elle se révèle d'une part être un excellent complément de l'UMTS pour les opérateurs disposant d'un tel réseau notamment pour offrir les mêmes services à haut débit à davantage d'utilisateurs en zone rurale ou zone suburbaine non dense qu'à ceux en zone urbaine, et, d'autre part, être la préparation et l'amélioration de l'offre de services en vue du lancement d'un réseau 3G qui est malgré tout une condition sine qua non pour les utilisateurs en zone urbaine dense.

Contexte

Applications recherchées

La course à l’innovation est permanente, il faut que chacun des opérateurs offre des contenus toujours plus nombreux et toujours plus variés. La condition sine qua non au développement d’applications telles la vidéo est l’augmentation des débits. Le GSM, 2e génération de mobiles, est dépassé. La solution dont le grand public a entendu parler ces dernières années n’est autre que l’UMTS (dit 3e génération ou 3G). Mais, si elle est la réponse technologique aux besoins des opérateurs elle possède un inconvénient majeur : son coût. Le coût de l’UMTS pour chaque opérateur sur le territoire français est aujourd’hui de 100 millions d’euros pour la licence et de 8 milliards pour l’infrastructure. Même si le prix initial (de 5 milliards par licence) fut considérablement réduit, il n’en reste pas moins que la 3G est trop chère. C’est pourquoi les opérateurs cherchent des alternatives moins coûteuses et l’une d’entre elles est l’EDGE, qui est présenté comme la génération 2,5. Les applications multimédias telles que la transmission de photos, de sons et de vidéos sont recherchées. EDGE est vu par certains opérateurs comme une alternative (Bouygues Télécom) ou un complément pour tous (Orange France) ou pour les entreprises uniquement (SFR) à l'UMTS. La norme UMTS impose en effet de déployer un nouveau réseau physique et donc des investissements très lourds pour les opérateurs. Le standard EDGE vise à optimiser la partie radio d’un réseau mobile sur la partie Data afin d’augmenter les débits principalement en voie descendante (i.e. sur les download, les téléchargements)...

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Canal de transmission, caractéristique

Le support physique de transmission est évidemment aérien. La propagation des ondes est dite par trajets multiples (se propagent dans plusieurs directions) et elle subit de nombreuses réverbérations et atténuations dues à l’environnement (collines, immeubles, etc.). Par ailleurs, de nombreuses ondes interfèrent avec le téléphone mobile de l’utilisateur.

Enfin, les utilisateurs d’un système de téléphonie mobile EDGE sont à des distances variables de leur station de base, a fortiori s'ils se déplacent ; ils subissent donc des délais de propagation différents.

Débit nécessaire

La technologie EDGE peut théoriquement atteindre un débit maximum de 473 kbit/s. En pratique, le débit (maximum) a été fixé au niveau du standard de la norme EDGE à 384 kbit/s par l’ITU (International Telecommunication Union) dans le but de respecter la norme IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000).

Le taux de transfert des données dépend non seulement de la modulation et du schéma de codage mais également de la qualité du lien et du temps de propagation. La technique de mesure d’un réseau EDGE est d’analyser chaque bloc de transmission composé de quatre séquences et d’en estimer la probabilité d’erreur. En cas de problème, une adaptation automatique de la modulation et du schéma de codage (donc du débit) est effectuée .

Bande de fréquences disponible

La norme EDGE aura l’avantage de pouvoir rapidement s’intégrer au réseau GSM existant. En émission, un mobile EDGE - à l’instar d’un GSM – émettra donc dans une bande qui s'étend de 880 à 915 MHz (Uplink). En réception, la bande sera 925 à 960 MHz (Downlink). Ainsi, pour une communication, il y aura 45 MHz de séparation entre le canal d’émission et le canal de réception (Duplex separation).

Ces bandes de fréquences sont divisées en portions de 200 kHz (RF carrier spacing) chacune; ce sont les canaux de transmission. Il y en a donc au total 175 qui sont répartis entre les opérateurs. Chaque canal peut accueillir jusqu’à 8 transmissions simultanées en temps partagé.

Type de transmission

Modulation

Modulation 8-PSK

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Pour pouvoir assurer un plus grand débit qu’avec le GPRS la méthode de modulation EDGE réutilise structure, largeur et codage du canal ainsi que mécanismes existants et fonctionnalités du GPRS.

La modulation utilisée pour la technologie EDGE est la modulation 8-PSK (Phase-shift keying). Dans cette méthode de modulation, 3 bits consécutifs sont représentés dans 1 symbole. Chaque symbole est situé à égale distance sur le cercle complexe.

Ainsi, le nombre de symboles transmis dans une certaine période est le même que pour le GPRS mais cette fois, chaque symbole transmis contient 3 bits donc le débit est accru.

Cependant, la contrepartie est que la distance entre symbole est moindre qu’avec le GPRS. Le risque d’interférence inter-symbole s'en trouve accru. Si les conditions de réception sont bonnes, cela ne pose pas de problèmes mais dans le cas contraire, il y aura des erreurs. Des bits supplémentaires seront utilisés pour ajouter plus de codes de corrections d’erreurs afin de recouvrer les données.

Codage

La technologie GPRS possède 4 schémas de codages (CS1 à CS4) tandis qu’avec la technologie EDGE 9 schémas sont possibles désignés MCS1 à MCS9.

Par ailleurs, les 4 premiers schémas de modulations utilisent la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) alors que les 5 derniers utilisent la modulation 8-PSK. Le débit est très différent selon le schéma de codage.

Par exemple, avec un schéma CS4 en GPRS, la vitesse maximale est de 20 kbit/s ; avec un schéma MCS9 en technologie EDGE, elle passe à 59,2 kbit/s soit 3 fois la vitesse potentielle d’un réseau GPRS et ce sur un seul canal.

Notons par ailleurs que – à l’instar d’un réseau GPRS – le réseau EDGE a la possibilité d’utiliser plusieurs canaux simultanément, offrant ainsi une plus grande bande passante à l’utilisateur.

Accès multiple]

L’EDGE utilise aussi l’Accès Multiple à Répartition dans le Temps (AMRT) ; il s’agit d’un multiplexage temporel.

Tous les utilisateurs utilisent la bande passante mais un espace temporel est affecté à chacun. Ainsi, l’AMRT consiste à diviser le temps, en petits intervalles, et à attribuer un intervalle de temps donné à chaque canal. Notons qu’un intervalle de sécurité doit être intégré entre chaque canal.

Applications et services

Déploiement, services actuels ou prévisions

La question du déploiement du réseau est indissociable de celle de l’UMTS car il constitue une alternative à la 3G.

En France, l’UMTS ne fait pas l’unanimité. Peu convaincu par les premiers terminaux compatibles, les écarts peu importants entre les débits de l'UMTS première génération et ceux de EDGE et certainement échaudé par le prix de la mise en place du réseau, l’opérateur Bouygues Telecom privilégie, pour l’instant, la mise en place d’un réseau EDGE pour développer ses services I-Mode.

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Les terminaux compatibles EDGE, déjà très répandus sur le marché, présentent également l’avantage d’être beaucoup moins chers et plus autonomes que leurs concurrents UMTS. L’EDGE fait aussi partie de la stratégie de Orange, comme complément de son réseau UMTS. Déployée sur l’ensemble du territoire à partir de 2005 (même dans les zones couvertes par l’UMTS), cette technologie sera présentée aux clients de l'opérateur comme une alternative moins onéreuse à l’UMTS, et un moyen d’avoir accès à du « presque » haut débit mobile y compris dans les zones rurales. De son côté, SFR, qui a choisi l’option UMTS, devrait aussi entamer une mise à jour de son réseau GPRS vers l’EDGE, mais ne met en avant cette solution que pour les endroits à très faible densité de population. Ainsi, dans l’avenir, nous pourrions imaginer un réseau UMTS (et EDGE) pour les zones urbaines et périurbaines et un réseau EDGE seul pour les zones rurales. À moins que l’ARCEP ne se mêle de l’affaire : l’autorité de régulation des communications électroniques et des postes a en effet imposé aux deux opérateurs français ayant acquis une licence UMTS (SFR, Orange) de s’engager à couvrir 58% de la population française d’ici à la fin 2005 et près de 90% à l’horizon 2009/2010.

Conclusions

En conclusion, l’EDGE est aujourd’hui une alternative à l’UMTS (trop chère). Si cette norme perçait, elle pourrait devenir une solution de remplacement pour les gens les moins fortunés et souhaitant accéder à du contenu multimédia (limité par rapport à l’UMTS) ou alors pour ceux habitant des zones de densité de population très faible.

Résumons dans un tableau les points forts et faibles de la technologie EDGE :

Points forts Points faibles Débit très supérieur au GSM Débit inférieur à l'UMTS Moins cher que l’UMTS Exige de nouveaux combinés

Il faut cependant garder à l’esprit que l’UMTS n’en est qu’à ses débuts et que les débits peuvent s’accroître fortement, à l’image de ce qui s’est fait entre le GSM et EDGE.

Mais n’oublions pas la règle universelle : Si le consommateur moyen n’éprouve pas le besoin de nouveaux services (nécessitant un débit accru et donc de nouvelles normes), telle ou telle technologie ne percera pas. Reste les professionnels, pour qui le débit peut être crucial mais les retombées en termes de bénéfices comparées aux investissements risquent encore longtemps de rester un frein.

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Universal Mobile Telecommunications System L'Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) est l'une des technologies de téléphonie mobile de troisième génération (3G) européenne. Elle est elle-même basée sur la technologie

W-CDMA, standardisée par le 3GPP et constitue l'implémentation européenne des spécifications IMT-2000 de l'UIT pour les systèmes radio cellulaires 3G.

L'UMTS est parfois aussi appelé 3GSM, soulignant l'interopérabilité qui a été assurée entre l'UMTS et le standard GSM auquel il succède.

On l'appelle également et plus simplement 3G, pour troisième génération.

Voir aussi le tableau de synthèse des différentes générations de technologies de téléphonie mobile.

Débuts Le déploiement de l'UMTS, initialement prévu pour le début du siècle a été freiné en raison de son coût et de la mauvaise conjoncture économique du monde des télécommunications suite à l'éclatement de la bulle internet.

Le 1 décembre 2002, l'opérateur norvégien Telenor a annoncé le déploiement du premier réseau commercial UMTS. L'opérateur autrichien Mobilkom Austria a quant à lui lancé le premier service commercial UMTS le 25 septembre 2002. En France, SFR a lancé son offre commerciale le 10 novembre 2004 et Orange a fait de même le 9 décembre 2004. L'opérateur Bouygues Telecom a préféré se concentrer sur la technologie EDGE en 2005, pour offrir les mêmes types de services (excepté la visiophonie) avec un investissement moindre; néanmoins, Bouygues Telecom dispose d'une licence UMTS et a été tenu, du fait de ses engagements envers l'ARCEP, à ouvrir son réseau commercialement début 2007. Suez s'était allié à l'opérateur espagnol Telefonica pour proposer une offre dans le cadre de l'appel à candidature lancé par l'ART en 2003 sous la dénomination "ST3G", mais n'a finalement pas déposé sa candidature, abandonnant le projet quelques jours avant l'échéance de remise des offres.

Technologie et fréquences L'UMTS repose sur la technique d'accès multiple W-CDMA, une technique dite à étalement de spectre, alors que l'accès multiple pour le GSM se fait par une combinaison de division temporelle TDMA et de division fréquentielle FDMA.

Lors de la CAMR de 1992 organisée par l’UIT à Torremolinos (province de Málaga en Espagne), les bandes suivantes avaient été désignées pour le système IMT-2000 (exploité sous le nom UMTS en France) :

Duplex temporel TDD : 1 885,00 à 1 920,00 MHz (bande de 35 MHz) 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) ;

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Bandes satellites : 1 980,00 à 2 010,00 MHz (uplink de 30 MHz) et 2 170,00 à 2 200,00MHz (downlink de 30 MHz).

La bande passante d’un canal est de 5 MHz avec une largeur spectrale réelle de 4,685 MHz.

Les attributions de bandes en France sont réglementées par la décision no 00-0835 de l’ARCEP en date du 28 juillet 2000. Le texte a été publié au JORF sous la référence NOR ARTL0000422V (accès internet sur Légifrance ou Adminet).

Comme prévu par l’ARCEP lors de l’attribution des licences (en 2001 et 2002), la bande des 900 MHz actuellement utilisée pour le GSM sera réallouée à la 3G prochainement, avec une possible redistribution des fréquences si un 4e opérateur est retenu pour la dernière licence.

Débit L'UMTS permet théoriquement des débits de transfert de 1,920 Mbit/s, mais fin 2004 les débits offerts par les opérateurs dépassent rarement 384 kbit/s. Néanmoins, cette vitesse est nettement supérieure au débit de base GSM qui est de 9,6 kbit/seconde.

Le débit est différent suivant le lieu d'utilisation :

en zone rurale : 144 kbit/s jusqu'à 500 km/h ; en zone urbaine : 384 kbit/s jusqu'à 120 km/h; dans un bâtiment : 2 000 kbit/s depuis un point fixe.

Applications et services Grâce à sa vitesse accrue de transmission de données, l'UMTS ouvre la porte à des applications et services nouveaux. L'UMTS permet en particulier de transférer dans des temps relativement courts des contenus multimédia tels que les images, les sons et la vidéo.

Les nouveaux services concernent surtout l'aspect vidéo : Visiophonie, MMS Vidéo, Vidéo à la demande, Télévision.

Déploiement commercial dans le monde On estime que fin 2006, il y a plus de 80 millions d'utilisateurs UMTS et que des services UMTS sont offerts par 155 opérateurs à travers le monde. Pour autant:

Les recettes retirées actuellement par les opérateurs avec l'UMTS sont relativement modestes par rapport à l'ensemble des revenus générés par les autres services mobiles notamment GSM.

Le nombre d'abonnés à l'UMTS croit, mais la recette moyenne par abonné (ARPU) ne fait pas de même. L'essentiel des recettes concerne encore les applications de base comme la voix, les messages courts SMS et les retours de sonnerie musicale (ring tone), et non les services data. Les nouvelles applications (MMS, TV, musique, vidéo téléphonie) étaient censées apporter de nouvelles recettes pour compenser les lourds investissements, mais elles n'ont pas encore tenu leurs promesses.

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La densité des réseaux est encore faible à moyenne. Pour être en mesure de fournir des services avec une couverture ad hoc, l'UMTS nécessite des investissements élevés. Orange indique être au stade de pouvoir couvrir 65% de la population avec 6.500 sites. Un autre grand opérateur historique (Telecom Italia) indique avoir déployé 11.000 sites. Il estime que, pour fournir un service de 2Mbit/s avec une bonne couverture du territoire, il lui faudrait déployer 100.000 sites (soit 10 fois plus qu'aujourd'hui).

Face à ce problème de rentabilité (investissements élevés, recettes modestes), et du fait de l'évolution rapide des technologies, plusieurs opérateurs importants[1] ont annoncé vouloir sauter l'étape UMTS en déployant des réseaux basés sur des technologies mobiles 4G entièrement basées sur IP plus performantes et moins coûteuses.

Parmi les technologies 4G, il existe deux écoles: WiMax mobile basée sur la technologie MIMO et normalisée par l'IEEE, et LTE/SAE (Long Term Evolution / "System Architecture Evolution") qui est une initiative défendue par le 3GPP dans la lignée de l'UMTS. Plusieurs opérateurs dans différents pays commencent à tester le WiMax mobile alors que les premiers déploiements commerciaux de LTE ne sont pas attendus avant 2009-2010.

L'UMTS impose de déployer un nouveau réseau physique et donc des investissements très lourds pour les opérateurs. Comme solution complémentaire ou alternative à faible coût à l'UMTS, et en attendant d'investir vraiment dans la 4G, les exploitants de réseau GSM pourraient être tentés de simplement mettre à jour les équipements des réseaux 2G existants en utilisant "Evolved EDGE", évolution de la technologie EDGE capable de supporter des débits de 450 à 500 Kbit/s. Les réseaux EDGE présentent l'avantage d'avoir déjà une bonne couverture (plus de 98 % de la population en France par exemple).

High Speed Downlink Packet Access

HSDPA est un protocole pour la téléphonie mobile parfois appelé 3,5 G ou encore 3G+ (dénomination commerciale).

Le protocole 3,5 G offre des performances dix fois supérieures à la 3G (UMTS R'99) dont il est une évolution logicielle. Cette évolution permet d'approcher les performances des réseaux DSL (Digital Subscriber Line).

Cette technologie permet de télécharger (débit descendant) théoriquement à un débit de 1.8 Mbit/s, 3.6 Mbit/s, 7.2 Mbit/s et 14.4 Mbit/s .

Le HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) est basé sur la technologie de communication WCDMA (Wideband-Code Division Multiple Access) définie par la norme WCDMA 3GPP Rel. 99 (3rd Generation Partnership Project Release 99). HSDPA est le lien descendant du réseau vers le terminal à haut débit en mode paquets. HSDPA est défini dans la version WCDMA - 3GPP Rel. 5.

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Technologie Elle est une amélioration radio du lien descendant qui permet d’offrir du très haut débit en téléchargement (jusqu’à 14.4Mbps en théorie, 3.6Mbps en pratique avec la Release 5. A noter qu’avec la Release 6, on passe à un débit de 7.2Mbps). Pour les transferts en voie montante, c’est le canal DCH de l’UMTS qui est utilisé (128 Kbps en Release 5, 384Kbps en Release 6).

Les principales améliorations sont :

Ajout de nouveaux canaux dédiés au HSDPA

Voie descendante o HS-DSCH (High Speed Dedicated Shared CHannel) Canal de transport de données à

très haut débit. Il est partagé entre les utilisateurs, contrairement au DCH de l’UMTS qui était dédié à chacun.

o HS-SCCH (High Speed Shared Control CHannel). Canal de transport de la signalisation associée au HS-DSCH.

o HS-PDSCH (High Speed Physical Dedicated Shared CHannel) Canal physique qui transporte un HS-DSCH.

Voie montante o HS-PDCCH (High Speed Physical Dedicated Control CHannel) Transporte la

signalisation associée au HS-PDSCH (taux de codage et CQI - Channel Quality Indicator).

La transmission Shared Channel

Deux canaux physiques sont utilisés : le HS-PDSCH pour la transmission rapide des données et le HS-DPCCH pour le contrôle des commandes. Sur le HS-PDSCH, les utilisateurs d’un même Node B se partagent les intervalles de temps et les codes. Le HS-DPCCH est utilisé pour transporter les signaux d’acquittement pour chaque bloc transmis. Il indique également la qualité du canal (CQI), le schéma de codage et la modulation utilisée.

Utilisation d’un mécanisme de retransmission hybride

Le HARQ (pour Hybrid Automatic Repeat reQuest) est un mécanisme qui permet de limiter et corriger les erreurs de transmission grâce à la redondance de la couche physique et à la retransmission de la couche liaison de données. L’émetteur envoie un bloc d’informations et attend une acceptation ou un refus du récepteur. Afin d’obtenir une rapide acceptation, un processus de différentes demandes est lancé en parallèle. En cas de demande de retransmission, suite à des données reçues incorrectes, les informations sont combinées entre l’original et la nouvelle transmission pour obtenir le message entier.

Pas de Soft Handover

En HSDPA, il n’y a pas de Soft Handover. La mobilité est permise par le mécanisme HS-DSCH Cell Change. Par conséquent lorsque l’usager se déplace et qu’un Hard Handover est exécuté, cela se traduit par un passage en Compressed Mode et donc une interruption du trafic durant quelques

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secondes. Le Compressed Mode permet de réserver des ressources pour permettre au mobile de réaliser des mesures sur les cellules voisines avant de sélectionner celle ayant le meilleur champ.

Utilisation de 15 codes maximum par utilisateur

15 canaux peuvent être alloués au même utilisateur pour augmenter le débit significativement. Cependant, les mobiles actuels ne permettent que de supporter 10 codes.

Adaptative Modulation and Coding

L’AMC désigne l’adaptation dynamique du schéma de codage (et donc du débit) en fonction des conditions radio. Le mobile remonte le CQI au Node B qui réajuste le schéma de codage toutes les 2 ms : choix d’un codage plus ou moins protecteur avec plus ou moins de redondance, choix d’une modulation QPSK ou 16 QAM. La modulation QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) permet de coder 2 bits par symbole. En revanche la modulation 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) permet de coder 4 bits par symbole, ce qui augmente considérablement le débit. Par contre cette modulation n’est possible qu’en présence de bonnes conditions radio car peu tolérante aux erreurs.

Fast and Fair Scheduling at Node

En UMTS, l’établissement de la transmission par paquet se fait à partir du RNC, tandis qu’en HSDPA, elle se fait à partir du Node B. Cela permet de réagir beaucoup plus rapidement, notamment grâce à un TTI (Transmission Time Interval) plus court. Ainsi, chaque utilisateur dispose du même temps mais grâce à l’AMC, le schéma de codage est propre à chacun ce qui lui permet d’obtenir le meilleur débit possible en fonction de ses conditions radio.

Short TTI (Transmission Time Interval)

Le TTI (Time Transmission Interval) est l’intervalle entre la transmission des blocks de données. D’une durée variable de 10ms à 80ms en UMTS, il passe à 2ms en HSDPA ce qui permet de réagir plus vite en fonction des conditions radio, d’adapter le schéma de codage plus régulièrement et de supporter un trafic et un nombre d’utilisateurs plus importants.

HSUPA L’HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) est définit dans la release 6 du 3GPP. Il s’agit d’une optimisation de l'HSDPA sur le lien montant (du mobile vers le réseau). Cette évolution permet le haut débit en voie montante (jusqu’à 5.8Mbps maximum théorique, 1.2Mbps en pratique avec les mobiles actuels), ainsi qu’une amélioration du débit descendant puisqu’on double le débit HSDPA (7.2Mbps).

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i-mode

Logo i-mode TM

L'i-mode est l'appellation commerciale d'un ensemble de services et de protocoles permettant de connecter des téléphones portables à Internet. L'i-mode est un concurrent du WAP, bien que les téléphones i-mode permettent également d'afficher du contenu WAP.

Le nom i-mode est une marque déposée par NTT DoCoMo et a été inventé par Mari Matsunaga. On peut citer Takeshi Natsuno comme acteur principal de la création et du développement de i-mode au Japon.

Les deux fonctions principales de l'i-mode sont la consultation de services et la messagerie électronique.

La consultation de services se fait sur des sites Web adaptés à la taille d'un écran de téléphone mobile. Ces sites peuvent être scindés en deux groupes : les sites payants et les sites gratuits.

D'une manière générale, les sites payants font partie de l'offre de l'opérateur et sont regroupés dans un portail spécifique à cet opérateur. Ces services sont fournis par des éditeurs tiers, spécialisés dans leur domaine, et rétribués par un système de reversement des abonnements, reversement se situant entre 70% et 90% du montant de ces abonnements. On y trouve du contenu tel que des annuaires téléphoniques, de la cartographie, des actualités, de l'économie, des fonds d'écran et des sonneries, du chat en ligne, des jeux et bien d'autres services multimédias.

Les sites gratuits quant à eux sont plutôt conçus par les utilisateurs et offrent une grande variété de contenu, du plus utile au plus futile, et échappent à tout contrôle de l'opérateur.

L'i-mode permet d'envoyer des courriers électroniques à d'autres abonnés à l'i-mode, mais aussi sur les boîtes électroniques d'autres utilisateurs. Il permet aussi de recevoir des courriers électroniques tant des autres utilisateurs qu'à partir d'Internet. Néanmoins, la taille des messages est limitée, et les pièces jointes ne sont pas toujours gérées par les premières générations de terminaux. On peut aussi envoyer des images, des sons, et des vidéos grâce à ce service de messagerie.

Description Le langage utilisé pour les sites mobile est une version modifiée de HTML, appelée i-HTML (pour i-mode HTML) basé lui-même sur C-HTML. Ce langage diffère sur les points suivants :

il ne contient pas les balises HTML pour écrire en gras et en italique ou souligné ; le javascript n'est pas géré ; les feuilles de style CSS ne sont pas supportées ; les cookies ; des attributs concernant les téléphones mobiles sont ajoutés dans certaines balises, par exemple

afin d'associer un lien à une touche du téléphone ;

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des balises d'affichage d'image locale, appelées Emoji, sont ajoutées (pour l'affichage d'un smiley par exemple) ;

un nombre limité de protocoles peuvent être utilisés dans les liens (http, https, tel, sms, etc.)

Par ailleurs l'i-mode permet de développer des applications téléchargeables en Java selon une variante spécifique de Java nommée DoJa (pour Docomo Java), différente du standard MIDP utilisé lui sur les téléphones WAP.

Alliance NTT DoCoMo vend des licences à d'autres opérateurs pour qu'ils puissent l'utiliser sur leur propre réseau.

Les opérateurs utilisant le service i-mode se sont regroupés au sein d'une alliance : i-mode Alliance. On peut citer parmi eux :

NTT DoCoMo au Japon depuis février 1999, E-Plus Mobilfunk en Allemagne depuis mars 2002, Far EasTone Telecommunications à Taiwan depuis juin 2002, KPN Mobile aux Pays-Bas depuis 2002, BASE en Belgique depuis la mi-octobre 2002, Bouygues Telecom en France depuis le 15 novembre 2002, Telefonica Moviles Espana en Espagne depuis juin 2003, Wind Telecomunicazioni en Italie depuis novembre 2003, COSMOTE Mobile Telecommunications en Grèce depuis juin 2004, Telstra en Australie depuis novembre 2004, Cellcom en Israël courant 2005, O2 en Grande-Bretagne et en Irlande à partir d’octobre 2005, Mobile TeleSystems (MTS) pour la Russie et la Communauté des États indépendants fin 2005, StarHub Mobile à Singapour fin 2005. Globul en Bulgarie en septembre 2006.

Histoire et développement L'i-mode est un produit né des laboratoires de NTT DoCoMo, suite à la constatation de l'échec des appareils WAP première génération, mais surtout à une bonne compréhension de celui-ci et à une réponse au-delà des attentes des utilisateurs.

Pour le replacer dans le contexte, le développement de l'i-mode a été confié au laboratoire mené par Mari Matsunaga alors que les opérateurs européens avaient annoncé la mort de l'Internet avec l'arrivée du WAP. Or ce ne sont que des problèmes et des limitations que les consommateurs européens, curieux, ont découverts. Premièrement, à cause de la différence de langage entre l'Internet (entièrement basé sur le HTML) et le WAP (basé sur le WML) ; les opérateurs n'avaient pas prévu les coûts d'adaptation que cela impliquerait auprès des fournisseurs de services afin d'adapter tous leurs services (banques, trains, cinémas) à ce nouveau langage.

i-mode a été lancé le 14 février 1999 au Japon.

Le partenariat entre NTT DoCoMo et Bouygues Telecom a été signé le 16 avril 2002. i-mode a été lancé le 15 novembre 2002 en France.

Technologie Il est possible d'utiliser l'i-mode sur les couches de transport PDC, GPRS, EDGE, UMTS.

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General Packet Radio Service

Le General Packet Radio Service ou GPRS est une norme pour la téléphonie mobile dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé. On le qualifie souvent de 2,5G. Le G est l'abréviation de génération et le 2,5 indique que c'est une technologie à mi-chemin entre le GSM (2e génération) et l'UMTS (3e génération).

Le GPRS est une extension du protocole GSM : il ajoute par rapport à ce dernier la transmission par paquets. Cette méthode est plus adaptée à la transmission des données. En effet, les ressources ne sont allouées que lorsque des données sont échangées, contrairement au mode « circuit » en GSM où un circuit est établi – et les ressources associées – pour toute la durée de la communication.

Débit Contrairement à une communication vocale où un – et un seul – intervalle temporel (time slot) (TS) est alloué pour la transmission de la voix, dans une liaison GPRS, le nombre de TS peut varier, entre un minimum fixé à 2 et le maximum à 8 TS par canal, en fonction de la saturation ou de la disponibilité de la BTS. Le débit de chaque TS est déterminé par le mode de codage (coding scheme) (CS), qui caractérise la qualité de la transmission radio :

CS1 = 9,05 kB/s (équivalent du GSM « voix ») ; CS2 = 13,4 kB/s ; CS3 = 15,6 kB/s ; CS4 = 21,4 kB/s (cas optimal du mobile à l'arrêt, au pied de l'antenne et seul dans le secteur

couvert par l'antenne).

Le débit théorique maximal est de 8 TS x CS4 = 171,2 kB/s. Mais en pratique le débit pratique maximal est d'environ 50 kB/s.

Le débit usuel de 2 TS x CS1 x 2/3 = 12,1 kB/s, soit environ 111 kbit/s.

Architecture Le GPRS permet de fournir une connectivité IP constamment disponible à une station mobile (MS), mais les ressources radio sont allouées uniquement quand des données doivent être transférées, ce qui permet une économie de la ressource radio. Les utilisateurs ont donc un accès bon marché, et les opérateurs économisent la ressource radio. De plus, aucun délai de numérotation n'est nécessaire.

Avant le GPRS, l'accès à un réseau se faisait par commutation de circuits, c’est-à-dire que le canal radio était réservé en continu à la connexion (qu'il y ait des données à transmettre ou pas). La connexion suivait le chemin suivant :

MS -> BTS -> BSC -> MSC -> Réseau.

Comme on peut le noter, aucun nouvel équipement n'était nécessaire.

Le GPRS introduit lui de nouveaux équipements. La connexion suit le cheminement suivant :

MS -> BTS -> BSC -> SGSN -> Backbone GPRS (Réseau IP) -> GGSN -> Internet.

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La connexion entre le MS et le BSS (c’est-à-dire BSC + BTS + TRAU) fait intervenir un protocole de couche 2 (MAC, Medium Access Control) et un protocole de couche 3 (RLC, Radio Link Control). Ces deux couches ont pour mission de gérer les procédures de connexion/déconnexion et de gérer le partage de la ressource radio entre plusieurs utilisateurs. RLC gère la segmentation et le réassemblage, et supporte deux modes d'utilisation : acknowledged mode qui permet la retransmission d'une trame erronée et unacknowledged mode qui ne le permet pas.

La connexion entre le BSS et le SGSN (Serving GPRS Support Node) a lieu avec le protocole NS (Network Service) en couche 2 et le protocole BSSGP (Base Station Subsystem GPRS Protocol) en couche 3.

La connexion entre le SGSN (Serving GPRS Support Node) et le GGSN (Gateway GPRS Support Node) utilise le protocole IP.

Les connexions en couche 4 se font avec le protocole LLC (Logical Link Control) entre la MS et le SGSN, et avec l'UDP entre le SGSN et le GGSN.

Au-dessus des couches 4 se trouvent deux autres protocoles : SNDCP ((en)Sub Network Dependent Converge Protocol) entre la MS et le SGSN, et GTP ((en) GPRS Tunnelling Protocol) entre le SGSN et le GGSN.

Finalement une connexion TCP/IP peut avoir lieu entre la MS et un serveur distant.

GPRS Tunnelling Protocol

GPRS Tunneling Protocol (or GTP) is an IP based protocol used within GSM and UMTS networks. It can be used with UDP or TCP. GTP version one is used only on UDP.

There are in fact three separate protocols, GTP-C, GTP-U and GTP'.

GTP-C is used within the GPRS core network for signalling between GPRS Support Nodes (GGSNs and SGSNs). This allows the SGSN to activate a session on the users behalf (PDP context activation), to deactivate the same session, to adjust quality of service parameters or to update a session for a subscriber who has just arrived from another SGSN.

GTP-U is used for carrying user data within the GPRS core network and between the Radio Access Network and the core network. The user data transported can be packets in any of IPv4, IPv6 or PPP formats.

GTP' (GTP prime) uses the same message structure as GTP-C and GTP-U, but it is largely a completely separate protocol. It can be used for carrying charging data from the "Charging Data Function" of the GSM or UMTS network to the "Charging Gateway Function". In most cases, this should mean from many individual network elements such as the GGSNs to a centralised computer which then delivers the charging data more conveniently to the network operator's billing center.

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The GTP protocol is implemented only by SGSNs and GGSNs. No other systems need to be aware of GTP. GPRS MSs are connected to a SGSN without being aware of GTP.

General Features of the GTP protocol All variants of GTP have certain features in common. The structure of the messages is the same, with a GTP header following the UDP/TCP header.

Header

GTPv1 headers contain the following fields:[1]

+ Bits 0-2 3 4 5 6 7 8-15 16-23 24-31

0 Version Protocol Type Reserved

Next Extension

Header

Sequence Number

N-PDU Number Type Total Length

32 TEID

64 Sequence Number N-PDU number Next Extension Header

Version The first header field in a GTP packet is the 3-bit version field. For GTPv1, this has a value of 1 (hence the name GTPv1).

Protocol Type (PT) a 1-bit value that differentiates GTP (value 1) from GTP' (value 0).

Reserved a 1-bit reserved field (must be 0).

Extension Header (E) a 1-bit value that states whether there is an Extension Header optional field.

Sequence Number (S) a 1-bit value that states whether there is a Sequence Number optional field.

N-PDU number (PN) a 1-bit value that states whether there is a N-PDU number optional field.

Type A 8-bit field that states the packet type.

Length A 16-bit field that states the length of the packet being encapsulated by GTP (not including the GTP header itself, but including the optional fields).

Tunnel Endpoint Identifier (TEID) A 32-bit field used to multiplex different connections in the same GTP tunnel.

Sequence Number An (optional) 16-bit field. This field exists if any of the E, S, or PN bits are on. The field must be interpreted only if the S bit is on.

N-PDU number An (optional) 8-bit field. This field exists if any of the E, S, or PN bits are on. The field must be interpreted only if the PN bit is on.

Next Extension Header An (optional) 8-bit field. This field exists if any of the E, S, or PN bits are on. The field must be interpreted only if the E bit is on.

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Next Extension Headers are as follows:

+ Bits 1-7 8-23 24-31 0 Total Length Contents ... ... ... Contents Next Extension Header

Length An 8-bit field. This field states the length of this extension header, including the length, the contents, and the Next Extension Header field, in 4-octet units. The length must be a multiple of 4.

Contents Extension header contents.

Next Extension Header An 8-bit field. It states the type of the next extension, or 0 if no next extension exists. This permits chaining several Next Extension headers.

Connectivity Mechanisms

Apart from the common message structure, there is also a common mechanism for verifying connectivity from GSN to GSN. This uses two messages.

echo request echo response

As often as every 60 seconds, a GSN can send an echo request to each other GSN with which it has an active connection. If the other end does not respond it can be treated as down and active connections to it deleted.

Apart from the two messages previously mentioned, there are no other messages common across all GTP variants[2] meaning that, for the most part, they effectively form three completely separate protocols.

GTP-C - GTP Control The GTP-C protocol is the control section of the GTP standard. When a subscriber requests a PDP context, the SGSN will send a Create PDP Context Request GTP-C message to the GGSN giving details of the subscriber's request. The GGSN will then respond with a Create PDP Context Response GTP-C message which will either give details of the PDP context actually activated or will indicate a failure and give a reason for that failure.

GTP-U - GTP User Data Tunnelling GTP-U is, in effect a relatively simple IP based tunnelling protocol which permits many tunnels between each set of end points. When used in the UMTS, each subscriber will have one or more tunnel, one for each PDP context they have active plus, possibly separate tunnels for specific connections with different Quality of service requirements.

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The separate tunnels are identified by a TEID (Tunnel Endpoint Identifier) in the GTP-U messages, which should be a dynamically allocated random number. If this random number is of cryptographic quality, then it will provide a measure of security against certain attacks. Even so, the requirement of the 3GPP standard is that all GTP traffic, including user data should be sent within secure private networks, not directly connected to the Internet.

GTP' - Charging Transfer The GTP' (pronounced GTP prime) protocol is used to transfer charging data to the Charging Gateway Function. GTP' uses TCP/UDP port 3386.

Within the GPRS Core Network see also GPRS Core Network

GTP is the primary protocol used in the GPRS core network. It is the protocol which allows end users of a GSM or UMTS network to move from place to place whilst continuing to connect to the Internet as if from one location at the GGSN. It does this by carrying the subscriber's data from the subscriber's current SGSN to the GGSN which is handling the subscriber's session. Three forms of GTP are used by the GPRS core network.

GTP-U for transfer of user data in separated tunnels for each PDP context GTP-C for control reasons including:

o setup and deletion of PDP contexts o verification of GSN reachability o updates, e.g. as subscribers move from one SGSN to another.

GTP' for transfer of charging data from GSNs to the charging function.

GGSNs and SGSNs (collectively known as GSNs) listen for GTP-C messages on UDP port 2123 and for GTP-U messages on port 2152. This communication happens within a single network or may, in the case of international roaming, happen internationally, probably across a GPRS Roaming Exchange (GRX).

The "Charging Gateway Function" (CGF) listens to GTP' messages sent from the GSNs on UDP port 3386. The core network sends charging information to the CGF, typically including PDP context activation times and the quantity of data which the end user has transferred. However, this communication which occurs within one network is less standardised and may, depending on the vendor and configuration options, use proprietary encoding or even an entirely proprietary system.

Use on the IuPS interface GTP-U is used on the IuPS between the GPRS core network and the Radio Access Network, however the GTP-C protocol is not used. In this case, RANAP is used as a control protocol and establishes GTP-U tunnels between the SGSN and the RNC.

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Protocol Stack

????

IP (user)

GTP

UDP

IP

Layer 2 (e.g.

WAN or Ethernet)

GTP-U Protocol Stack

All variations of GTP are transported over UDP.

As of 2004 there are two versions defined, version 0 and version 1. Version 0 and version 1 differ considerably in structure. In version 0, the signalling protocol (the protocol which sets up the tunnels by activating the PDP context) is combined with the tunnelling protocol on one port. Version 1 is actually effectively two protocols, one for control (called GTP-C) and one for user data tunnelling (called GTP-U).

GTP-U is also used to transport user data from the RNC to the SGSN in UMTS networks. However, in this case signalling is done using RANAP instead of GTP-C.

Historical GTP Versions The original version of GTP (version 0) had considerable differences from the current version (version 1).

the tunnel identification was non random options were provided for transporting X.25 the fixed port number 3386 was used for all functions (not just charging as in GTPv1). TCP was allowed as a transport option instead of UDP, but support for this was optional subscription related fields such as Quality of Service were more limited

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The non random TEID in version 0 represented a security problem if an attacker had access to any roaming partner's network, or could find some other way to remotely send packets to the GPRS backbone. Version 0 is going out of use and being replaced by version 1 in almost all networks. Even so, the standard for the newer version states that the older version must be supported by the GSN. Fortunately, however the use of different port numbers allows easy blocking of version 0 through simple IP access lists.

GTP in standardisation GTP was originally standardised within ETSI (GSM standard 09.60). With the creation of the UMTS standards this was moved over to the 3GPP which, as of 2005 maintains it as 3GPP standard 29.060. GTP' uses the same message format, but its special uses are covered in standard 32.295 along with the standardised formats for the charging data it transfers.

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Mobile Station Mobile Station (MS) ou Station Mobile est un terme qui désigne un élément de base du système cellulaire de téléphonie mobile GSM.

Il s'agit d'un terminal mobile authentifié et autorisé à accéder au réseau mobile. Dans le GSM (ou l'UMTS), l'abonnement étant séparé du terminal utilisé, ce terminal est l'association des deux éléments suivants:

le terminal physique, appelé Mobile Equipment (ME) : il s'agit d'habitude du téléphone mobile, une carte SIM représentant l'abonnement souscrit et qui contient des paramètres clé le

concernant.

Cette séparation permet à quiconque d'utiliser le même ME avec différents abonnements (par exemple, un ami vous prête son téléphone et vous appelez avec votre propre abonnement), et inversement d'utiliser un abonnement dans plusieurs terminaux (par exemple, pour changer de téléphone en cas de panne).

Pour un réseau UMTS, l'équivalent s'appelle User Equipment (UE) et se compose de manière similaire d'un ME et d'un USIM (UMTS Subscriber Identity Module).

Base Station Subsystem

La BSS au sein d'un réseau GSM (schéma simplifié).

Le sous-système des stations de Base (Base Station Subsystem) est la partie radio du réseau de téléphonie mobile GSM, chargée de la connexion entre la Station Mobile (MS) et la partie commutation du réseau GSM (vers le MSC).

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Il est composé de :

BTS (Base Transceiver Station) ; BSC (Base Station Controller) ; TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit

Base Transceiver Station La BTS ou Base Transceiver Station est un élément de base du système cellulaire de téléphonie mobile GSM

Schématiquement, elle est composée essentiellement d'un élément d'interface avec la station la contrôlant (BSC), d'un émetteur/récepteur (transceiver, TRX) et d'une antenne : elle forme ainsi une cellule (base du maillage du réseau).

Fonction Elle est en charge de la liaison radio avec les Stations mobiles.

Les rôles principaux d'une BTS sont:

activation et désactivation d'un canal radio multiplexage temporel (TDMA) et saut de fréquence (Frequency Hopping) chiffrement du contenu à transmettre (pour la confidentialité de la communication sans fil), codage canal, chiffrement des trames, modulation, démodulation et décodage du signal radio

(protection contre les erreurs de transmission, interférences, bruits....) contrôle de la liaison surveillance des niveaux de champ reçus et de la qualité des signaux (nécessaire pour le handover) contrôle de la puissance d'émission (limiter la puissance à ce qui est suffisant pour ne pas trop

perturber les cellules voisines)

Le domaine de la BTS reste néanmoins la liaison physique radio, l'essentiel des fonctions de contrôle et de surveillance est réalisé par la BSC.

Capacité Un TRX (Transmission/Reception Unit) est un émetteur récepteur qui gère une paire de fréquences porteuses (une en voie montante, une en voie descendante). On peut multiplexer jusqu'à 8 communications simultanées sur un TRX grâce à la technique d'accès multiple TDMA.

En théorie, la capacité maximale d'une BTS est de 16 TRX. Ainsi, elle peut gérer jusqu'à 128 communications simultanées. Mais cette limite n'est jamais atteinte en pratique.

Dans les zones rurales, le rôle de la BTS est d'assurer une couverture. Elle est donc généralement limitée à 1 seul TRX ou 2 si l'opérateur prévoit un TRX de secours. Dans les zones urbaines, la BTS

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doit assurer une couverture mais également écouler un trafic conséquent. Elle peut donc être équipée de 2 à 9 TRX.

Afin d'écouler plus de trafic, les opérateurs préfèrent augmenter le nombre de BTS plutôt que d'augmenter le nombre de TRX par BTS. Ainsi, les interférences entre canaux utilisant les mêmes fréquences sont limitées.

Caractéristiques

Type d'antennes

On peut distinguer les antennes omnidirectionnelles (qui émettent à 360°) des antennes bi-sectorielles (180° par antenne) ou tri-sectorielles (120° par antenne) qui sont les plus fréquentes car elles limitent les interférences entre canaux utilisant une même fréquence.

Taille de la cellule

Une BTS classique peut émettre jusqu'à 35 km au maximum. On parle de macro-cellule pour un rayon compris entre 2 km et 35 km et de petite cellule pour un rayon compris entre 500 m et 2 km.

Les micro BTS sont conçues pour les zones urbaines et définissent des micro cellules (rayon inférieur à 500 m).

Classement

BTS normales

La norme GSM impose une sensibilité minimale de -104 dBm en GSM 900 et DCS 1800. Elle définit également plusieurs classes selon la puissance maximale d'émission avant couplage :

Numéro de classe GSM 900 DCS 1800

1 320 W / 55 dBm 20 W / 43 dBm

2 160 W / 52 dBm 10 W / 40 dBm

3 80 W/ 49 dBm 5 W / 37 dBm

4 40 W/ 46 dBm 2.5 W / 34 dBm

5 20 W/ 43 dBm

6 10 W/ 40 dBm

7 5 W/ 37 dBm

8 2.5 W/ 34 dBm

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Micro BTS

En ce qui concerne les micro BTS, il n'existe que 3 classes qui spécifient la puissance maximale d'émission avec couplage, ainsi que la sensibilité.

Numéro de classe GSM 900 DCS 1800

Puissance maximale

M1 80 mW / 19 dBm 500 mW / 27 dBm

M2 30 mW / 14 dBm 160 mW / 22 dBm

M3 10 mW/ 10 dBm 50 mW / 17 dBm

Sensibilité

M1 0.2 nW / -97 dBm 0.06 nW / -102 dBm

M2 0.6 nW / -92 dBm 0.2 nW / -97 dBm

M3 2 nW/ -87 dBm 0.6 nW / -92 dBm

Base Station Controller Le BSC, ou Base Station Controller (en français, Contrôleur de Station de base) est l'un des éléments du réseau GSM. Son rôle est de commander un certain nombre de BTS (jusqu'à plusieurs centaines). À leur tour, plusieurs BSC sont reliées à la hiérarchie supérieure du réseau mobile, le Mobile service Switching Center (MSC).

Le lien entre un BSC et un MSC s'appelle lien A, celui entre un BSC et une BTS s'appelle lien Abis (lien à 2 Mbit).

Si de son côté, la BTS a en charge la gestion physique du lien radio, le BSC sera la partie intelligente concernant ce lien : c'est lui qui décide de l'activation/déactivation d'un canal vers une station mobile, qui décide de la puissance d'émission des BTS et des MS et qui gère les changements de cellules (handover). Si ce handover s'effectue entre deux BTS qui sont reliées au même BSC, ce dernier effectue le handover tout seul (handover intra-BSC), sinon il s'agit d'un handover inter-BSC ou handover inter-MSC qui fait appel au(x) Mobile service Switching Center(s) (MSC) supérieur(s).

Pour effectuer le contrôle de puissance et les changements de cellule, le BSC collecte et analyse les mesures de performance et de qualité envoyées par les BTS et les MS.

Un autre rôle primordial du BSC est de concentrer les flux de données en provenance des BTS. Mis à part en milieu urbain dense, une BTS est rarement surchargée en permanence, l'Abis est donc peu saturé. En concentrant ensemble les Abis sur un nombre plus réduit de liens A en direction du MSC, cela permet une meilleure utilisation des ressources.

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Mobile service Switching Center Le MSC (Mobile services Switching Center ou Mobile Switching Center) est un équipement de téléphonie mobile (2G/3G) en charge du routage dans le réseau, de l'interconnexion avec les autres réseaux (réseau téléphonique classique par exemple) et de la coordination des appels.

Un MSC est en charge de plusieurs BSC. De même que chaque BSC concentre le trafic de plusieurs BTS, le MSC concentre les flux de données en provenance de plusieurs BSC. De plus, à chaque MSC est associé un VLR qui connaît les informations détaillées sur les usagers que le MSC doit gérer.

Les rôles principaux d'un MSC sont :

la commutation: le MSC est un centre de routage et de multiplexage. Les MSC sont reliés entre eux, ainsi qu'aux passerelles d'accès aux autres réseaux,

la gestion des connexions, activation/désactivation d'un canal vers une MS, en utilisant les informations du VLR,

grâce au VLR qui lui est dédié, le MSC assure la localisation et l'itinérance, le contrôle du handover entre deux BSC dont il a la charge (intra-MSC Handover), la gestion des handovers de MS quittant son domaine d'influence vers celui d'un autre MSC

(inter-MSC Handover).

En UMTS, le MSC/VLR et le SGSN sont intégrés dans un même équipement alors appelé UMSC (UMTS Mobile service Switching Center).

Gateway MSC Certains MSC sont qualifiés de Gateway MSC, car ils possèdent en plus une passerelles d'accès vers d'autres réseaux mobile ou fixes. Ils sont en charge par exemple des appels d'un mobile vers un téléphone fixe. Les GMSC n'ont pas à gérer de BSC.

Transcoder and Rate Adaptation Unit La TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit, ou unité de transcodage et d'adaptation de débit), est une unité (un équipement) de transcodage présente dans les réseaux de téléphonie mobile de type GSM.

Le débit du canal radio GSM est de 13 kbit/s, tandis que celui du canal de liaison PCM du téléphone fixe est de 64 kbit/s : il est donc nécessaire de réaliser un transcodage au niveau des stations de base (BTS). Deux solutions peuvent être mises en œuvre :

1. mutliplexer quatre canaux à 13 kbit/s pour produire un canal à 64 kbit/s. Dans ce cas, le débit est relativement faible entre la BTS et la BSC ;

2. faire passer le débit de chaque canal à 64 kbit/s. Dans ce cas le débit entre BTS et BSC est quatre fois plus important que ci-dessus, mais les équipements sont banalisés (à la norme PCM 64 kbit/s) dès la BTS.

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Visitor Location Register Le VLR ou Visitor Location Register est un élément du réseau cellulaire de téléphonie mobile (GSM, GPRS, UMTS).

Le VLR est une base de données temporaire contenant des informations sur tous les utilisateurs (Mobile Stations) du réseau, et qui est intégrée dans le Mobile service Switching Center (MSC).

La plus petite unité spatiale pour localiser un abonné utilisant une station mobile est la Location Area. Cette zone est en fait le regroupement de plusieurs cellules, donc concerne (a priori) plusieurs BTS à la fois: chaque zone reçoit un code unique, le Location Area Code. À un instant donné, un abonné ne se trouve que dans une seule Location Area, donc uniquement un seul VLR contient une entrée dans sa base concernant cet abonné. Cette unicité est utilisée pour retrouver un abonné dans le réseau.

Le VLR contient, entre autre, les informations suivantes :

IMSI (International Mobile Subscriber Identity) TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number) LAI (Location Area Identification) l'adresse du MSC l'adresse du HLR

Le LAI est un identificateur qui inclut notamment le Location Area Code de la zone dans laquelle se trouve la station mobile (MS) en question. Lorsque la station mobile change de Location Area (ou tout simplement lorsqu'il vient d'être allumé), il émet un message de type Location Update pour indiquer dans quelle zone (LAI) et quelle cellule il se trouve.

À l'inverse, si un appel extérieur désire joindre cette MS, un message particulier (Paging) est envoyé sur le canal de signalisation dans toute la zone LA avec comme clé l'identificateur temporaire (TMSI) pour que la MS se signale et indique dans quelle cellule elle se trouve actuellement.

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Home Location Register Le HLR ou Home Location Register est un élément du réseau cellulaire de téléphonie mobile GSM.

Il s'agit de la base de données centrale comportant les informations relatives à tout abonné autorisé à utiliser ce réseau GSM. Afin que les données soient cohérentes sur l'ensemble du réseau, c'est elle qui sert de référence aux autres bases de données locales, les VLR.

La HLR contient d'une part des informations caractérisant l'utilisateur lui-même:

IMSI (International Mobile Subscriber Identity), identifiant de l'utilisateur l'IMEI définissant la Station Mobile utilisée, soit généralement, le téléphone mobile de

l'utilisateur MSISDN (Mobile Subscriber International ISDN Number), indiquant le numéro d'appel

international via lequel l'utilisateur est joignable. Il peut ne pas être unique pour un même IMSI.

les services souscrits par l'abonné, l'état des renvois d'appels, ...

Elle contient d'autre part des informations indiquant la dernière position connue de cet utilisateur:

l'adresse MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number) désignant l'abonné sur le réseau, les adresses des MSC et VLR concernés pour avoir à chaque instant la position approximative

de l'abonné mobile (seule la VLR en question connaît une position plus précise).

International Mobile Subscriber Identity L'International Mobile Subscriber Identity (IMSI) est un numéro unique, qui permet à un réseau GSM ou UMTS d'identifier un usager. Ce numéro est stocké dans la carte SIM respectivement USIM et n'est pas connu de l'utilisateur. Pour atteindre celui-ci, on va lui fournir un numéro MSISDN.

Format Le format de l'IMSI suit le plan de numérotation standard E.212 de l'UIT et est composé de la façon suivante :

3 chiffres 2 ou 3 chiffres 10 chiffres ou moins MCC MNC (H1 H2) MSIN

Les abréviations utilisées dans ce tableau ont la signification suivante :

MCC pour Mobile Country Code. C'est l'indicatif du pays d'origine. Par exemple, 228 pour la Suisse, 208 pour la France, etc.

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MNC ou Mobile Network Code. C'est l'indicatif de l'opérateur du réseau. Par exemple, en Suisse, 01 pour Swisscom Mobile, 02 pour Sunrise, 03 pour Orange, etc.

MSIN ou Mobile Subscriber Identification Number. C'est le numéro de l'abonné à l'intérieur du réseau GSM. Les deux chiffres H1 H2 peuvent être utilisés pour donner l'adresse du HLR de l'abonné correspondant.

Exemples Exemple 1 :

228 01 2134567890 228 Suisse 01 Swisscom Mobile 21 HLR 21 34567890 Numéro d'identification de l'abonné dans le réseau

Exemple 2 :

208 20 1134567890 208 France 20 Bouygues Telecom 11 HLR 11 34567890 Numéro d'identification de l'abonné dans le réseau

Mobile Station ISDN Number Le MSISDN ou Mobile Station ISDN Number est le numéro « connu du public » de l'usager GSM ou UMTS par opposition au numéro IMSI. C'est ce numéro qui sera composé afin d'atteindre l'abonné. Seul le HLR connaît la correspondance entre le MSISDN et l'IMSI.

Dans la terminologie 3GPP , MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number) fait référence au numéro de téléphone de l'usager.

Format [modifier] Le format du MSISDN suit le plan de numérotation standard E.164 et est composé de la façon suivante :

CC NDC SN

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CC ou Country Code. C'est l'indicatif du pays d'origine (exemple, +41 pour la Suisse, +33 pour la France…)

NDC ou National Destination Code. C'est l'indicatif déterminant principalement (attention à la portabilité) l'opérateur du réseau (79 pour Swisscom Mobile, 76 pour Sunrise, 78 pour Orange…)

SN ou Subscriber Number. C'est le numéro de l'abonné attribué par l'opérateur du réseau GSM.

3GPP 3GPP (3rd Generation Partnership Project) est une coopération entre organismes de standardisation régionaux en Télécommunications tels l'ETSI (Europe), ARIB/TTC (Japon), CCSA (Chine), ATIS (Amérique du Nord) et TTA (Corée du Sud), visant à produire des spécifications techniques pour les réseaux mobiles de 3e génération (3G).

3GPP assure par ailleurs la maintenance et le développement de spécifications techniques pour les normes mobiles GSM, notamment pour le GPRS et l'EDGE.

Over-the-air programming L’OTA (pour Over The Air) est une technologie permettant d’accéder aux données d’une carte SIM à distance. Il permet ainsi à un opérateur de téléphonie mobile de, par exemple, mettre à jour le contenu, introduire un nouveau service sur tout un lot de cartes SIM de manière rapide, efficace et peu coûteuse. L’OTA est basé sur une architecture où d’une part il y a une interface de soumission de commandes (hébergée chez l’opérateur) et d’autre part une carte à puce. Via l’interface, la commande est envoyée à une passerelle OTA qui se charge alors de la convertir en un SMS avant de l’envoyer à la carte SIM. Ainsi cette interface de soumission de commandes peut être un backoffice crée en interne par l’opérateur ou encore une simple page web accessible aux abonnés, leur permettant d’effectuer des mises à jour sur leurs cartes SIM. Le canal SMS est aujourd’hui utilisé car il est standardisé mais il est envisagé de passer plus tard par les canaux GPRS ou CSD.

Il apparaît donc clairement que l’enjeu principal voire la difficulté est la gestion des transactions entre la passerelle OTA et la carte à puce. Chaque opérateur peut alors concevoir un certain nombre de procédures à cet effet. Cependant une norme standard a été définie par le 3GPP afin de garantir une interopérabilité, c’est la norme GSM 03.48.

La norme GSM 03.48 décrit donc, assez exhaustivement, une transaction OTA de manière générale, la structure des données qui transitent au cours de la transaction et l’implémentation de l’OTA via les SMS. Une dernière partie est consacrée à la description des commandes OTA ainsi qu’à la présentation de quelques commandes en guise d’exemple.

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Différentes entités d’une transaction OTA Une transaction OTA fait intervenir quatre grandes entités :

un Sending Application (SA) : c’est toute application capable d’émettre une commande OTA. Il peut par exemple s’agir d’une application résidant dans la carte SIM ou simplement d’une interface applicative résidant chez l’opérateur ;

un Receiving Application (RA) : c’est l’application destinataire de a commande OTA. Il peut donc aussi être application résidant dans la carte SIM ou simplement d’une interface applicative résidant chez l’opérateur ;

un Sending Entity (SE) : elle se charge de convertir les commandes envoyées par le SA et à y ajouter les paramètres de sécurité nécessaire à un envoi en toute sécurité sur le réseau. Il peut s’agir par exemple d’un SMS-SC (jouant le rôle de passerelle OTA) ou d’une simple carte SIM qui envoie des commandes ;

un Rereiving Entity (RE) : c’est cette entité que reçoit les paquets sécurisés provenant du SE. Il se charge donc de les reconstituer d’enlever toutes les en-têtes de sécurité précédemment ajoutées afin de permettre l’exploitation de la donnée.

Entre les quatre entités précédemment citées transitent deux types de données :

Application Message (AM) : c’est un paquet de données sans paramètres de sécurité ni en-tête produit par un SA. C’est d’ailleurs le seul type de paquet manipulable par ce dernier. Il peut aussi être reçu par un RA de la part d’un RE pour exploitation ;

Secured Packet (SP) : à la réception d’un AM, le SE y ajoute des paramètres de sécurité (Command ou Response Header) ainsi que des indications précises sur ces paramètres (SPI pour Security Parameter Indicator) pour ainsi former un paquet sécurisé appelé secured packet ;

Secured Command Packet (SCP) : c’est un SP résultant d’une commande émise par un SA (à travers un AM) et traitée par un SE (ajout d’un Command Header) ;

Secured Response Packet (SRP) : c’est un SP envoyé un RE en réponse à une commande venant d’être traitée pas le RA. Un SRP est constitué d’un en-tête (Response Header) et, facultativement, de certaines données fournies par le RA à titre informatif sur la commande venant d’être exécutée.

Description d'une transaction OTA Un Application Message (AM) est produit par les Sending Application (SA) et envoyé au Sending Entity (SE). Ce dernier y ajoute le Commande Header (CH) qui contient l’ensemble des paramètres de sécurité, généré suivant des indications fournis par le SA dans AM. A partir de ce moment l’ensemble AM + CH et appelé Secured Command Packet (SCP) et c’est justement ce paquet qui est envoyé sur le réseau. Le Receiving Entity (RE) est à la réception du SCP et se charge alors d’enlever les en-têtes de sécurité (Command Header) et de transmettre l’AM ainsi reconstitué au Receiving Application. Le RE est aussi tenu de créer un Secured Response Packet (SRP) si celui-ci est exigé par le SE. Le SRP sera constitué d’un Response Header (RH) et d’une partie facultative constituée de données fournies par le RA et sera sécurisé suivant les paramètres contenus dans le CH.

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SMSC SMSC est un acronyme pour Short Message Service Center.

Un SMSC permet de gérer le transfert de messages SMS (textes ou binaires) entre téléphones mobiles.

En particulier, quand un abonné envoie un SMS vers un autre, le téléphone transmet en réalité le SMS vers le SMSC. Le SMSC stocke le message puis le transmet au destinataire lorsque celui-ci est présent sur le réseau (mobile allumé): Le SMSC fonctionne sur le mode "Store & Forward".

Le SMSC prend en charge la facturation qui doit éventuellement avoir lieu. Il y a au moins un Short Message Service Centre (SMSC) par réseau GSM. En pratique il y en a très souvent plusieurs (SFR en a 2 par exemple).

Un SMSC joue également le role de "passerelle" entre réseau IP et réseau GSM. En particulier, un serveur peut y accéder par connexion TCP afin d'envoyer des SMS vers des MSISDN de destination.

On parle dans ce cas d'application OTA (Over-The-Air).

Un ensemble de protocoles existent pour communiquer entre serveur et SMSC en TCP/IP : les plus utilisés sont SMPP et CMG EMI (il y a aussi Nokia CIMD, Sema, CMPP).

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Subscriber Identity Module

Carte SIM

La carte SIM (de l'anglais Subscriber Identity Module) est une carte à puce contenant un microcontrôleur et de la mémoire. Elle est utilisée en téléphonie mobile pour stocker les informations spécifiques à l'abonné d'un réseau mobile, en particulier pour les réseaux de type GSM ou UMTS. Elle permet également de stocker des applications de l'utilisateur, de son opérateur ou dans certains cas de tierces parties. D'autres systèmes de téléphonie mobile comme le CDMAOne, le PDC japonais ou le CDMA 2000 défini par le 3GPP2 prennent en charge optionnellement une telle carte.

Généralités

Carte SIM avec le logo de l'opérateur.

Le choix de l'intégration d'une carte à puce dans les systèmes de téléphonie mobile est basé sur la nécessité de disposer des éléments suivants :

Un élément sécurisé contenant les données de connexion pour un utilisateur donné Un élément amovible qui permet de personnaliser un nouveau téléphone avec les données de

connexion, l'intérêt étant de séparer l'approvisionnement de terminaux de la notion d'abonnement

Un espace de stockage d'information pour les données personnelles de l'abonné (son annuaire), mais également des paramètres de personnalisation de son terminal (paramètres de messagerie, etc.)

Un espace pour les applications de l'opérateur de téléphonie

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Il convient d'abord de signaler que carte SIM est un abus de langage (un raccourci en fait), SIM désignant en fait l'application GSM résidant sur une carte, nommée UICC (pour Universal Integrated Circuit Card). Sur une même UICC on peut très bien imaginer une SIM et plusieurs USIM (l'équivalent de l'application SIM pour l'UMTS (la téléphonie de 3ème génération, standard majoritaire se plaçant dans la continuité du GSM).

L'UICC et l'application SIM gèrent l'authentification de l'abonné dans le réseau GSM (l'USIM pour le réseau UMTS) et génère des clés qui permettent le chiffrement du flux de données, ceci étant réalisé au sein du terminal mobile.

L'UICC peut également contenir et exécuter des applications sur la base du SIM Application Toolkit (USIM Application Toolkit dans le cas de l'UMTS) et d'un environnement applicatif Java Card. Ces applications sont généralement propriété de l'opérateur qui peut les télécharger sur la carte.

Caractéristiques physiques

Carte SIM au format carte de crédit. La partie centrale se détache pour les téléphones n'acceptant que les petites cartes.

Formats [modifier]

L'UICC (carte SIM) a été définie sur plusieurs formats :

Format ISO ID-1, le format des cartes de crédit, rapidement écarté car trop contraignant pour la conception des téléphones mobiles.

Format Micro-SIM ou Plug-in SIM ou ID-000, le plus répandu des formats dans les téléphones mobiles GSM ou UMTS

Format Mini UICC, spécifié en 2000 à l'ETSI (juste la taille du connecteur, pas de plastique inutile). Ce format a été initialement conçu pour optimiser la taille du lecteur de carte dans les terminaux de manière à les miniaturiser pour des usages dans des machines

Composants

L'UICC est basée sur un microprocesseur et de la mémoire.

Les capacités mémoire typiques en 2006 sont de 32 ou 64 ko. Dans le cas de cartes "haut de gamme" pour des fonctionnalités comme un annuaire utilisateur important ou le support d'applications, les grands opérateurs européens achètent actuellement des cartes d'une capacité de 128 ou 256 ko. La carte peut alors héberger des fichiers, des paramètres d'applications/services du mobile, et même des applications exécutables dans la carte elle-même, par exemple, en Java Card. Une tendance se dessine dès 2006 à l'extension de la capacité mémoire vers des Mo ou des Go. L'UICC peut alors reprendre en son sein les fonctions habituellement associées aux MMC ou SD Cards : stockage agrandi, mais

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également sécurisation de contenu et d'applications. Toutefois, devant le coût de ces solutions, un modèle d'affaire inexistant et certaines difficultés d'implémentation, les solutions techniques n'ont vu le jour que sous la forme de prototypes.

La technologie mémoire utilisée dans la carte a d'abord été de l'EEPROM, mais s'est rapidement tourné vers la Flash (en NAND plus qu'en NOR), bien plus flexible dans l'utilisation et maîtrisée pour les grandes capacités. Cependant, de plus en plus et à cause de l'intégration du MultiMédia, l'on sépare la mémoire et la carte SIM en s'orientant vers l'utilisation d'une carte Flash additionnelle permettant ainsi aussi une plus grande flexibilité d'usage des données, sauf pour ce qui concerne le carnet d'adresse qui reste souvent encore traditionnellement sur la carte afin de faciliter le changement de GSM même si certains veulent encore croire au modèle intégré en insérant une micro Flash au sein même de la puce. [1]

Interface physique

L'interface physique de la carte a 8 contacts. Longtemps seuls 5 contacts ont été utilisés, pour l'implémentation de l'interface dite ISO (voir les spécifications ISO 7816). L'implémentation de nouvelles interfaces implique l'utilisation des contacts définis mais restés inutilisés. L'USB (choisit comme interface rapide) utilisera les contacts C4 et C8 pour la ligne I/O. Le contact C6 sera utilisé pour une interface vers un module contactless qui permettra l'accès à des services sans-contact de transport (de type Navigo) ou de paiement.

1. VCC (alimentation) 2. RST (remise à zéro) 3. CLK (horloge) 4. Libre 5. GND (terre) 6. VPP (tension de programmation) 7. I/O (entrée/sortie) 8. Libre

Caractéristiques logicielles

Protocoles

Le protocole utilisé à l'origine sur la carte SIM est le protocole de base de la carte à puce, le protocole T=0. Les caractéristiques principales de ce protocole sont les suivantes :

asynchrone en mode caractère en semi-duplex

Système d'exploitation

Le système de l'exploitation des cartes SIM est le plus souvent propriétaire, codé par les encarteurs et généralement inscrit sur les composants par les fondeurs. Microsoft a tenté au début des années 2000 de proposer un système Windows Mobile for Smart Card, sans succès. L'initiative a été abandonnée, les opérateurs préférant l'expertise propriétaire de leurs fournisseurs.

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La mémoire est organisée en répertoires et fichiers (identifiant de l'opérateur, données liées au réseau, numéros d'appels d'urgence, entrées du répertoire...). Le micro-contrôleur assure l'accès à ces données (droits), les fonctions de cryptographie (par exemple liées au code PIN) et l'exécution des applications de l'opérateur.

Machines virtuelles

Le système d'exploitation des cartes SIM est le plus souvent propriétaire, codé par les fabriquants de cartes. Les cartes SIM de générations plus récentes sont capables d'héberger des applications destinées à l'abonné, comme par exemple l'information à la demande (météo, horoscope). Ces applications sont le plus souvent décrites dans un sous-ensemble du langage Java : le Java Card, spécifié dans le cadre du Java Card Forum.

Téléchargement

La carte dispose de la possibilité de modifier et mettre à jour à distance le contenu de certains fichiers de la carte par téléchargement "over the air (OTA)". Le canal SMS peut être utilisé pour cela depuis longtemps de manière transparente au travers du terminal mobile. Un autre système, nommé Bearer Independent Protocol (BIP) permet de réaliser un téléchargement à partir d'autres média proposés par le terminal (par exemple GPRS).

Cela ouvre des horizons d'applications comme la sauvegarde du répertoire de la SIM sur un serveur.

Verrouillage [modifier]

Le verrouillage SIM (ou SIM lock) permet aux opérateurs de téléphonie mobile de restreindre leur utilisation. A ce jour, le verrouillage SIM d'un téléphone peut forcer l'utilisation de cartes SIM:

propres à certains pays propres à certains opérateurs d'un type donné

Le verrouillage le plus utilisé est celui forçant un opérateur donné (service provider lock ou SP-lock). Les téléphones proposés à la vente par les opérateurs de téléphonie mobile sont souvent verrouillés et moins onéreux que les mêmes modèles sans verrou, du fait des revenus supplémentaires attendus de la part de l'abonné sous contrat.

Le verrouillage le plus restrictif est celui forçant l'utilisation d'une carte SIM unique donnée.

Un téléphone peut être déverrouillé en entrant un code spécifique au clavier. Dans certains cas, l'opérateur peut procéder à l'opération à distance. Le déverrouillage nécessite la connaissance du numéro IMEI du téléphone (obtenu en tapant *#06# au clavier).