Houda KHEDHER

Réseaux cellulaires : principes et

normes

Copies des transparents du cours

ESPRIT

Année : 2012 / 2013

Houda KHEDHER 2

De quoi allons nous parler ?

• Historique et panorama des réseaux mobiles

• Propagation en environnement radio-mobile

• Accès au canal radio

• Signalisation

• Le système GSM

• Gestion de la mobilité réseau

• Gestion de la mobilité radio dans les réseaux de générations 2, 2.5 et 3

• Introduction au système GPRS

• Introduction au système UMTS

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Panorama des réseaux mobiles

Historique : Évolution des communications mobiles

Typologie des réseaux mobiles

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Historique (1)

• 1678: Travaux de Huygens sur les phénomènes de réflexion et de réfraction de la lumière

• 1818: Fresnel démontre la nature ondulatoire de la lumière

• 1831 : Michael Faraday (induction électro-magnétique)

• 1867 : James Clerk Maxwell (équations électricité-magnétisme)

• 1876: Invention du téléphone par Graham Bell

• 1887: Heinrich Rudolph Hertz (découverte des ondes hertziennes et mise en évidence de la théorie de Maxwell)

• 1896: Guglielmo Marconi (télégraphe sans fil)

• 1901 : Télégraphie sans fil (point-à-point)

• 1921 : Télégraphie sans fil (point-à-multipoint)

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Historique (2)

Téléphonie sans-fil

• 1899-1902 : Téléphonie half-duplex (applications militaires)

• 1928 : Téléphonie unidirectionnelle sans-fil

• 1945 : Téléphonie half-duplex (applications civiles)

• 1940-50 : Réseaux mobiles Systèmes de diffusion (radio et TV)

Émetteurs couvrant plusieurs dizaines de kilomètres : puissants,

Placés sur des sites élevés.

Premiers systèmes semi-cellulaires : pas de mobilité, grandes zones, faible capacité, …

Génération « 0 »

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Historique (3)

Réseaux cellulaires

Concept cellulaire : recouvrement des cellules avec modulation analogique

• Fins des années 1940 (Bell Labs)

• Congestion de fréquences

• 1960-70 : augmentation de la demande

Densification

Utilisation poussée du concept cellulaire

Introduction du transfert inter/intracellulaire (Handover)

Réseaux de première génération

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Historique (4)

Services RNIS radio-mobiles

• 1991 : GSM (téléphonie, données faible débit, SMS, services supplémentaires, …)

Réseaux de téléphonie mobile numérique : 2G

Emergence des données mobiles : Transmission de données paquet

CDPD (Cellular Digital Packet Data), GPRS (General Packet Radio Service), P-PDC : Données paquet sur l’interface radio

Réseaux de génération 2,5 G

Services multimédia : MMS, WAP (Wireless Application Protocol), I-Mode (WAP à la mode Japonaise), …

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Historique (5)

Multimédia mobile (3G) IMT-2000 : Internet + GSM

Services mobiles multimédia haut débit

2 Mb/s en indoor, mobilité réduite (10 km/h)

384 kb/s en outdoor urbain (120 km/h)

144 kb/s en outdor rural, mobilité importante

Qualité de service variable (BER : 10 -3 – 10-6, délais : 30-300 ms)

Transmission asymétrique et à débit variable

Services multiples par usager

Parole

Données

Vidéo

Multimédia

L’accès sans fil aux réseaux 4G : Très hauts débits pour l’Internet haut débit, la TV, des réseaux tout-IP

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Objectifs des réseaux mobiles

• Offrir une large couverture

– Génération 0: une ville

– Génération 1: un pays

– Génération 2: un continent

– Génération 3: le monde

• Offrir un service à de nombreux usagers

• Intégrer de plus en plus de services

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Evolution du marché

Source : Ericsson

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Houda KHEDHER 11

Principaux intervenants du secteur des mobiles (1)

Constructeurs (équipementiers)

- Infrastructure réseau

- Infrastructure radio

- Terminaux

Opérateurs

- Publics

- Privés

Régulateur

- Gestion des ressources rares

- Contrôle des obligations des opérateurs,…

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Principaux intervenants du secteur des mobiles (2)

Fournisseurs de services

Distributeurs ou Sociétés de Commercialisation de Services

- Subvention des terminaux

- Lignes, cartes de recharge

Installateurs

- Déploiement d’équipements

- Maintenance

Législateur

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Typologie des réseaux radio-mobiles

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Classification des systèmes radio-mobiles

• Systèmes cellulaires (cellular systems) – GSM, UMTS, IS-95

• Téléphones sans cordon (cordless phones) – CT-2, DECT (Europe), PHS (Japon)

• Systèmes de radiocommunications

professionnelles (PMR : private mobile radio)

• Radiomessagerie unilatérale (paging systems)

• Systèmes par satellites (satellite systems)

• Systèmes réservés à la transmission de données

(mobile data systems)

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Les systèmes radio-mobiles

Houda KHEDHER

Générations et normes de réseaux mobiles

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Réseaux de mobiles et cellulaires

• Qu’est ce qu’un réseau de mobiles?

Ensemble des équipements terminaux mobiles qui utilisent la voie hertzienne pour communiquer

• Qu’est ce qu’un réseau cellulaire?

Réseau constitué de cellules, ou zones géographiques, dont tous les points peuvent être atteints à partir d’une même antenne

Houda KHEDHER 18

Houda KHEDHER

Architecture générale d’un réseau

radio-mobile

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Houda KHEDHER

Architecture générale d’un réseau GSM

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Éléments d’un système de

communications radio (1)

Sous-système réseau

Sous-système radio

Sous-système de contrôle

RTCP

Terminaux

fixes

Terminaux

mobiles

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Éléments d’un système de

communications radio (2)

• Sous-système radio (BSS, Base-Station SubSystem) : c’est le réseau d’accès radio qui assure l’émission et la réception des appels et gère la ressource radio.

• Sous-système réseau (NSS, Network Subsystem): comprend l’ensemble des fonctions nécessaires à l’établissement des appels et à la gestion de la mobilité, routage des appels, stockage et mise à jour des données des abonnés, connecté au RTCP par des commutateurs passerelle

• Sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS, Operation subsystem): supervision et contrôle des sous-systèmes radio et réseau. Centralise la commande de l’opérateur

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Systèmes cellulaires

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Systèmes cellulaires (1)

BS MS

Architecture cellulaire

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Systèmes cellulaires (2)

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Systèmes cellulaires (3)

Spécificités des systèmes cellulaires

Gestion de la mobilité des abonnés

Gestion de l’interface radio

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Évolution des générations de réseaux

cellulaires (1)

1980 1990 2000 2010 2020

Fonctionnalités

4G 1G

2G 3G

Téléphonie mobile

Technologie cellulaire analogique

Cellules macro

Voix, messagerie et services de données

PCS et cellulaire numérique

Macro, mini, micro et pico cellules

Services de données haut débit

Services multimédia bande étroite et large bande

Global, macro, micro et pico cellules

Spectre plus large

Très hauts débits

Multimédia

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Évolution des générations de réseaux

cellulaires (2)

Analogique

AMPS, NMT, NTT

1G

Numérique

GSM, PDC, IS-95, …

2G

Données < 300b/s 9,6-64 kb/s (paquet)

Numérique haut débit

IMT 2000

3G

4G

64-384 kb/s (outdoor)

2 Mb/s (indoor)

2 Mb/s (best effort/indoor)

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Concept cellulaire (1)

Problème de base = comment :

Desservir une région de taille importante (pays,

continent),

Avec une largeur de bande limitée,

Avec une densité d’usagers importante ou qui

peut augmenter ?

Concept cellulaire

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Concept cellulaire (2)

• Pourquoi le recours au concept cellulaire?

– Pénurie des ressources radio

Nombre de canaux limité

– Les premiers réseaux mobiles se composent de quelques émetteurs qui couvrent des zones importantes et non interconnectées

Communications interrompues

– Déploiement à l’échelle d’un pays ou d’un continent d’un système à grande capacité

Concept cellulaire

• Principales fonctions d’un système cellulaire

– Traitement d’appel

– Gestion de la localisation

– Maintien de la communication en cours de déplacement

– Authentification et sécurité des informations transmises

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Concept cellulaire (3)

• Principe d’un système cellulaire

– Chaque opérateur dispose:

• d’une zone à couvrir

Zone découpée en petits territoires appelés cellules

1 cellule plusieurs canaux de la bande

Une cellule est desservie par une station de base (BS ou

Base Station) qui fait l’interface entre le réseau filaire et

l’abonné mobile

• d’une bande de fréquences duplex

1 bande = plusieurs canaux duplex

1 canal = 1 communication unique

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Houda KHEDHER 40

Intérêt du concept cellulaire

R

F

Zone A

Cluster

r

f1

f2

f3

f4 f5

f6

f7

Zone A

1er cas : R = 10 Km avec N = 7 fréquences

7 communications simultanées

2ème cas : r = 500m

(R2/r2) = 400 communications

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Réutilisation de fréquences

Concept cellulaire Changement dynamique de fréquence pour un mobile pendant une

communication en fonction de ses déplacements dans le réseau Handover (transfert intra/inter cellulaire)

Réutilisation de fréquences (sans créer d’interférences) dans des cellules

suffisamment éloignées l’une de l’autre

Mécanisme de réutilisation des fréquences : Repose sur la propriété d’atténuation des signaux avec la distance

Cellules utilisant la même fréquence (= Co-cellules)

augmenter le nombre de communications simultanées dans le réseau

fournir potentiellement une capacité illimitée avec des bandes de fréquences peu importantes

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Distance de réutilisation

D

R

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Notion de cluster (1)

• Le plus petit groupe de cellules utilisant l'ensemble de la bande

de fréquence du système est appelé motif (ou cluster). Ce

motif est répété sur toute la surface à couvrir

Exemple de motif à 7 cellules

f1

f2

f3 f4

f5

f6

f7 f1 f2

f3

f4

f5

f6

f7

f1

f2

f3

f4

f5

f6

f7

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Notion de cluster (2)

Motif hexagonal :

Placement optimal des stations de base, permet un recouvrement

régulier,

Hexagone régulier : figure géométrique permettant un pavage

facile, le plus proche de la forme circulaire (forme idéale)

Représentation circulaire peu pratique : un pavage en disques

fait apparaître des zones de recouvrement ou de trous de

couverture

Motif hexagonal nombre plus faible de cellules et

donc moins de sites (un système basé sur des cellules

hexagonales coûte moins cher qu’un système basé sur des

cellules triangulaires ou carrées)

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Exemples de motifs à 3, 4 et 7 cellules

Problème : interférence co-canal

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Nombre de cellules par Cluster (1)

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Nombre de cellules par Cluster (2)

• N = i2 + ij + j2 avec i et j entiers naturels positifs ou nuls

• Les clusters peuvent être constitués de 1, 3, 4, 9, 12, 13, 16, 19, 21…cellules

• Pour les réseaux analogiques : Motif 7/21 un bloc de 7 sites incluant 3 cellules par site

• Pour le cas des réseaux numériques tel que le GSM le motif 4/12 est utilisé.

1 2 3 4

1 3 7 13 21

2 7 12 19 28

3 13 19 27 37

4 21 28 37 48

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Y’2

x’1 x’2

x2

x1 y2

y’1

y1

y

x’

x

U

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Nombre de cellules par Cluster (3)

• Motif 4/12

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Sectorisation des cellules (1)

• Entretien des BTS : coût élevé

• Réduction du nombre de sites

– antenne directrice couvrant une cellule hexagonale

depuis l’un des coins

– En un coin, 3 BTS couvrant 3 cellules

• Sectorisation 120° ou 60°

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Sectorisation des cellules (2)

Cellule tri-sectorielle Cellule 6-sectorielle

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Schéma de sectorisation

• Motif 4/12

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Combinaisons motifs/secteurs

1 2

3 7

4 5

12 8

6

9 11

10

1 2

3 7

4 5

12 8

6

9 11

10

1 2

3 7

4 5

12 8

6

9 11

10

1 2

3 7

4 5

12 8

6

9 11

10

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Systèmes sans cordon

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Systèmes Sans Cordon ou Cordless

Systems (1)

• Caractéristiques

– Systèmes simples à installer et gérer

– Communications bi-directionnelles

– Qualité de parole très proche de celle des terminaux fixes

• Systèmes de première génération (CT1)

– Un terminal communique avec une base unique raccordée directement au RTCP

• Systèmes de deuxième génération numériques (CT2,

DECT)

– Accès au réseau téléphonique pour plusieurs terminaux via une borne publique, borne résidentielle, borne privée (PABX d’entreprise)

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Systèmes Sans Cordon ou Cordless

Systems (2)

• Applications

Résidentielle (borne domestique)

Professionnelle (PABX sans fil)

Publique (télépoint)

Radio dans la boucle locale (WLL)

• Limites

– Faible portée (quelques dizaines à quelques centaines de mètres)

– Faible mobilité des usagers

• Avantages

– Durée d’autonomie importante des terminaux

– Organisation anarchique

– Moins coûteux et moins complexes que les systèmes cellulaires

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Systèmes sans cordon (3)

RTC

Base de données

des abonnés Système

de tarification

WLL

Borne domestique

Borne

publique PABX

d’entreprise Terminal

Structure d’un système sans cordon

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Systèmes sans cordon (4)

DECT (Digital European Cordless Telephone)

• Technologie

– Bande de fréquence 1,8Ghz

– Utilisation de slots de type TDMA

– Débit : 552 Kbit/s

– Distance : 300m pour 100mW

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Systèmes par satellites

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Systèmes par Satellites (1)

Centre

de gestion

Station terrienne

Satellite

Voix

données

MS

RTCP

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Systèmes par Satellites (2)

• Principe : – Infrastructure au sol (stations terriennes et centres de gestion)

– Satellites

– Équipements embarqués (stations mobiles)

• Services : – Voix et données

– Localisation

– Messagerie

• Population visée : – Navires (commerciaux ou de plaisance)

– Avions

– Transport routier

• Systèmes : – GMPCS

– Inmarsat, Thuraya

– Teledesic, …

Houda KHEDHER

Systèmes de Radiocommunications

Professionnelles

Houda KHEDHER 63

Systèmes de Radiocommunications

Professionnelles (SRP) Systèmes « conventionnels » très simples : allouer une

fréquence par flotte (un ou plusieurs groupes d’usagers)

• Population visée – Utilisation réservée et dédiée à des groupes fermés

d’utilisateurs (membres d’une entreprise, d’un service, d’une administration)

• Échanges à caractère opérationnel (information, commande, accusé de réception)

• Services offerts – Voix

– Données

– chiffrement

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Systèmes de Radiocommunications

Professionnelles (SRP)

Les réseaux radio à ressources partagées (3RP) ou systèmes trunk

– 5 à 20 canaux duplex gérés par un contrôleur (micro-ordinateur)

– Un canal n’est alloué à un usager que pour la durée de la communication

– Les usagers sont identifiés par des numéros

– Plusieurs flottes cohabitent sur le même système

– Canaux de signalisation nécessaires :

• Pour le paging (recherche de mobile)

• Pour la demande de connexion (appel initié par le mobile)

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Structure générale d’un 3RP

Terminal de supervision

Contrôleur

Relais

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Systèmes de radiomessagerie

unilatérale

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Radiomessagerie Unilatérale (1)

• Principe

– Émetteurs (stations de base terriennes ou satellites)

– Mobiles (pagers) fonctionnant en réception uniquement

– Envoi de messages à travers le RTCP (automatique ou opératrice)

• Services

– Bip (Quelqu’un cherche à vous joindre)

– Messages numériques, alphanumériques ou vocaux

• Population visée

– Professionnels

– Grand public

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Radiomessagerie Unilatérale (2)

• Deux catégories de systèmes

– Systèmes publics à couverture étendue (région ou un pays)

• Plusieurs émetteurs de puissance moyenne ou élevée

• Les appels vers les récepteurs sont émis à travers le RTC ou un réseau de transmission de données

• Appels stockés de quelques secondes à quelques minutes avant d’être émis de façon groupée

– Systèmes privés (site unique de quelques centaines de mètres à quelques dizaines de kilomètres de portée)

• Site d’étendue limitée à quelques récepteurs

• Les appels vers les récepteurs sont émis par un opérateur manuel ou à travers un commutateur privé

• Émission immédiate des messages

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Radiomessagerie Unilatérale (3)

Sous-système

radio

Sous-système

d’accès

RTC ou X25

Pagers

Émetteur

Cœur du réseau

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Réseaux de transmission de données

• Deux types de réseaux Réseaux locaux sans fil (WLAN : Wireless Local Area Network)

- HIPERLAN

- IEEE 802.11

Réseaux étendus (Réseaux Radio Réservés aux Données : 3RD)

- MOBITEX

- CDPD (Cellular Digital Packet Data)

- ARDIS (Advanced Radio Data Information Services)

• Principe - Transmission par paquets

• Applications - Professionnelles

- Grand public

Houda KHEDHER

Houda KHEDHER 72

Nombre de cellules par cluster (3)

• Soit un cluster de forme hexagonale

• N : nombre de cellules par cluster

• a : surface de la cellule

• A : surface du cluster

2

2

22

2

3:aonsantréintroduien

donc,2

32

1

30cos

233

cellulesco2entreDistance

2

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233

R

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a