1

cours réseaux chapitre 2

la couchephysique

2

La couche physique

Les bases de la transmission

La transmission filaire (guidée)La transmission sans fil (non guidée)

Le réseau téléphonique commuté (RTC)Le réseau numérique à intégration de services

(RNIS bande étroite et large bande - ATM)

Les satellites de télécommunications

Les systèmes de téléphonie mobile (voix … et données)

D’autres réseaux câblés ...

3

La couche physique du modèle OSI

application

présentation

session

transport

réseau

liaison

physique

7

6

5

4

3

2

ISO 10022 & UIT X211

• transmission des bits sur un circuit de communication

• aspects physiques des connexions :• maintien / désactivation des connexions• transmission d’éléments entre entités

• éléments de la couche physique :• support physique• codeurs, modulateurs• multiplexeurs, concentrateurs

1

4

Explication « avec les mains »

15 février 2008 5

Communication : cadre général

DTE 1 DTE 2DCE 1 DCE 2Canal de Transmission

Perturbations

DTE = Data Terminal Equipment

DCE = Data Communication Equipment

15 février 2008 6

Nature des Informationspendant la communication

DTE 1 DTE 2DCE 1 DCE 2Canal de Transmission

0 1 01

Numérique

0 1 01

Numérique

0 1 01

Analogique

15 février 2008 7

Notion de bande passante

• Valeur caractéristique de tout canal de communication

• Dépend de la réponse fréquentielle

Atténuation

FréquenceFMin FMax

Bande Passante

15 février 2008 8

Exemples de bande passante

1 GHzFibre Optique

100 MHzCâble coaxial (télévision)

100 KHzPaires Torsadées

3 KHzTéléphone

Bande PassanteMédium

15 février 2008 9

Caractéristiques Fréquentielles

• Un signal binaire a de très mauvaises caractéristiques :– Nombreuses composantes fréquentielles– Composante continue non nulle

15 février 2008 10

Détérioration du signal par le canal

• Fmin = 40Hz– Les signaux lents sont supprimés

15 février 2008 11

Détérioration du signal par le canal

• Fmax = 3000Hz– Les signaux rapides sont supprimés

15 février 2008 12

• Bande Passante globale : 40Hz – 3000Hz

Détérioration du signal par le canal

15 février 2008 13

Elimination des basses fréquences

• Utiliser un signal de moyenne nulle: Pas de

composante continue

15 février 2008 14

Problème : les hautes fréquences

• Signal carré – Signal « pur », facile à décoder– Nombreuses composantes– Hautes et Basses fréquences

• Sinusoïde– Une seule composante– Fréquence connue à l’avance– Comment représenter le signal ?

15 février 2008 15

Une solution : La modulation

• Utilisation d’une onde porteuse– S ( t ) = A . sin( 2.f.t + )– Caractéristiques compatibles avec le médium– Modulation de la porteuse Signal

• Plusieurs possibilités– Modulation d’amplitude– Modulation de fréquence– Modulation de phase

15 février 2008 16

Modulation d’amplitude

• Variation de la « force » de la porteuse

• Très simple à mettre en œuvre

Problème de l’atténuation

0 0 0 00 1 1 1

15 février 2008 17

Modulation de fréquence

• Variation de la « vitesse » de la porteuse

0 0 0 00 1 1 1

Très robuste au bruit

15 février 2008 18

Modulation de phase

• Variation du décalage de la porteuse

0 0 0 00 1 1 1

Relativement robuste au bruit

15 février 2008 19

Débit d’un canal

• 1 baud = 1 modulation / seconde

• 1 modulation = q bits

– Exemple : 2 amplitudes

4 phases

• Modem 9600 bauds

– 2 Amplitudes

– 12 Phases

• Protocole 16QAM

– 4 Amplitudes

– 8 Phases

020 V100

π/220 V101

π20 V110

-π20 V111

-π10 V011

π10 V010

π/210 V001

010 V000

PhaseAmplitudeBits

15 février 2008 20

Notion de Multiplexage

• Multiplexage = Transmission simultanée de plusieurs signaux

• Optimise l’utilisation de Bande Passante– Ex : Fibre Optique : W ≥ 1 GHz– Communication téléphonique ~ 30 Kb/s– 999970 Kb/s perdus !

• Plusieurs Variantes :– Multiplexage temporel– Multiplexage fréquentiel

15 février 2008 21

Multiplexage Temporel

• On alterne les signaux sur le canal

AA BB CC; AA BB CC; AA .. CC

AAAAAA

BBBB

CCCCCC

Un canal inutilisé consomme de la BP.

15 février 2008 22

Multiplexage Temporel Statistique

• Alternance des signaux sur le canal,allocation selon les besoins !

A : aa, B : bb, C : cc, A : aa, B : bb, C : cc, A : aa, C : cc

aaaaaa

bbbb

cccccc

Créneaux inoccupés Récupérés Transmission du numéro de canal avec chaque

donnée

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Multiplexage Fréquentiel

• 1 canal physique n bandes distinctes– Ex : Télévision Plusieurs Chaînes

A, A, A, A, A, AB, B, B, B C, C, C, C, C, C

AAAAAA

BBBB

CCCCCC

15 février 2008 24

Numérisation du signal

3 3 3 2 2 0 0 1

1111111010000001

Echantillonage

Quantification

Signal Analogique

Signal Numérique

15 février 2008 25

fin de l'explication « avec les mains »

26

Les media de transmission

les supports magnétiques,

les câbles électriques à paires torsadées,

les câbles coaxiaux,

les fibres optiques,

le spectre électromagnétique,

les ondes radio - les micro-ondes,

les ondes infrarouges et millimétriques,

les ondes lumineuses.

Le filaire

Le sans fil

Les satellites de télécommunications

Des réseaux variés : RTC, RNIS, GSM, CPL, UMTS, ...

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Les supports métalliques• Fils simples : distance courte. Problème de parasitage

• Paire de fils torsadés: 2* 1 mm de cuivre isolé, résiste mieux aux interférences extérieures

– Réseau téléphonique (boucle locale en paire torsadé)

– Modem Au départ 9,6 kbit/s à 56 kbit/s (norme V90 avant l’ADSL)

– RNIS: Réseaux National à Integration de service (Numéris 1990)

• Deux canaux numériques à 64 Kbit/s pour la voix numérisée ou les données (trame

de 125 microsecondes),

• un canal 16 ou 64 kbit/s pour la signalisation hors bande

• Prix: abonnement + 2* tarif communication Téléphone. Pour 2*64kbit/s

– ADSL (Assymetric Digital Subscriber Line)

• Débit réception (descendant) >> débit émission (montant)

• Débits effectifs jusqu’à : Réception 20 mégabit/s / Emission 1 Mégabit/s

• Bande passante dépend de l’éloignement aux centres de commutations

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Réseaux locaux en paires torsadées

• UTP3 puis UTP5 (Unshielded Twisted Pair) non blindée

• Prise RJ45

• Ethernet à 10 Mégabit/s (10baseT), 100 Mégabit/s (100baseTX) et

depuis peu 1 Gigabit/s (1000 base T)

• 4 paires dans le même câble (dont 2 utilisées en simplex pour le

10baseT et le 100base TX)

• Ethernet 100 base T4 utilise 4 paires torsadées au lieu de 2

• UTP5 (cablage actuel) : jusqu’à 1 Gigabit/s

• Longueur maximale d’un brin en 10baseT et 100 baseT: 100 m

29

Supports métalliques (2)• Les câbles coaxiaux :

– Ame en cuivre -isolant - tresse métallique- gaine de protection

– Résistant aux bruits

– Mieux que la paire torsadée sur longue distance

• “Bande de base”

– 1km -> 1 giga bit/s

– Très utilisé pour longue distance du réseau téléphonique

– Utilisés en réseaux locaux mais supplantés par la paire torsadée en local et par

la fibre optique en longue distance

• “Large bande”

– Fréquence plus grande

– Transmission par modulation

– Télévision câblée, accès à Internet

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Fibres optiques• Tube en verre très fin (1 cheveu) recouvert d'une gaine isolante à la lumière

• en simplex (2 fibres)

• Pas de lumière : 0 logique, Impulsion lumineuse : 1 logique

• Utilisées en LAN (FDDI) et WAN

• Ethernet 100 base FX, 1000 base SX et 1000 base LX

• < 100 km : Plusieurs Gigabit/s (109 bits)

• Limitation due au passage de l’optique à l’électrique

• Optique pure 50 000 Gigabit/s

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Les ondes lumineuses

• rayons infra rouges

– faible portée : télécommande de TV

– Facile à mettre en oeuvre

– omnidirectionnelles

– Peu utilisés car supplantés par ondes radio

• rayons lasers

– peu coûteux, large bande passante

– très directif -> pas d'interception

– sensible aux intempéries (chaleur)

– Utilisé ponctuellement pour applications spécifiques

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Ondes radio

• Grandes distances (>100 km) et très grande distance avec les sattellites

• Débit dépend de la plage de fréquence utilisée (100 Mhz à 1 GigaHertz)

• Très utilisé pour la télévision et les artères principales du téléphone

• Fort déploiement pour les réseaux locaux (Wi-Fi)

• Limitation de l’allocation des plages de fréquences

• Réseau à diffusion : problème de confidentialité -> cryptage des

données transportées (IPsec)

• Mise en place moins coûteuse que la fibre optique

• Tours Hertziennes, antennes et paraboles : souvent moins onéreux que

de creuser une tranchée pour mettre une fibre optique

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Supports de transmission

types bande passante utilisation

paire torsadée > 100 KHz téléphone, LAN

câble coaxial > 100 MHz télévision, LAN, MAN

fibre optique > 1 GHz LAN, MAN, WAN

faisceau hertzien variable LAN, MAN

satellitesX canaux

( > 10 MHz )WAN

vide et air : la lumière à 300 000 km/s

métal : le courant électrique à 220 000 km/s

(69 à 77 % de 300 000)

fibre optique : la lumière à 220 000 km/s

vitesses de propagation

34

Débit / Temps de propagation (1/2)

• Une onde possède une vitesse qui dépend du support

• Le temps de propagation dépend de la vitesse v de l’onde et la longueur

l du support : l/v

• Le débit d’une ligne est défini par le nombre de bits émis par seconde

sur le support

• Débit et vitesse sont complètement indépendants

• Exemple du satellite :

– l=36000 km, v= 3.108 m/s : T. propagation= 0,12 s

– Message de 10 kbits à 1 méga bits/s: T. d’émission= 0,01s

• Exemple du réseau local sur fibre optique :

– l=200m v=200.106m/s: T.propagation = 10-6s

– Message de 10 kbits à 1 méga bits/s: T. d’émission= 0,01s

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Débit / Temps de propagation (2/2)

A B

temps de propagation

temps d 'émission

Temps de transfert

36

Définitions (1)

Bande passante (Hz) :• caractérise tout support de transmission, c’est la bande de fréquences dans laquelle les signaux sont correctement reçus

W = Fmax - Fmin• l’oreille humaine est sensible dans la bande 15 - 15 000 Hz

• les fréquences qui passe par le téléphone sont dans l’intervalle : [300Hz, 3 400Hz]

• la bande passante du téléphone est égale à : W = 3400 - 300 = 3100 Hz = 3,1Khz

Débit binaire (bit/s ou bps) cf. formule de Shannon :• caractérise une liaison ; c’est une fonction directe de la bande passante (W) :

D = W log2 (1 + S/N) S/N = signal / bruit• c’est la quantité maximale d’information transmissible sur une voieex. : W = 3 100 Hz, S/N = 1 000, D = 30 000 bit/s environ

Unités : Hertz (Hz) :• la fréquence d’un signal, exprimée en Hz, est le nombre de périodes (ou d’oscillations) par seconde ; kHz, MHz, GHz, ...

37

Définitions (2)

Entrée signal

F, Pe

Sortie signal

F, Ps

Support

F (Hz)

Ps

Pm

Pe/2

f1 f2

W = f2 - f1

W

Bande passante (Hz) :

38

Théorie : Analyse de Fourier

39

Modulation d’un signal (1)

Un signal est caractérisé par :son amplitude A, sa fréquence f, sa phase , tel que

y(t) = A * sin (2 f t + ) f = 1 / TT = période

Le signal est transporté sous la forme d’une onde faisant varier une des caractéristiques physiques du support :

courant électriqueonde radio-électriqueintensité lumineuse (fibre optique)

Le spectre du signal à transmettre doit être inclus dans la bande passante du support physique.Rôle des techniques de modulation et de multiplexage :

- adaptation des signaux au support- rentabiliser l’utilisation du support

40

Modulation d’un signal (2)

Le signal se présente sous la forme d’une onde de base régulière : porteusep(t) = Ap cos (2 f tp + p)

On fait subir des déformations (ou modulations) à cette porteuse pour distinguer les éléments du message. La modulation est la transformation d’un message à transmettre en un signal adapté à la transmission sur un support physique

• transposition dans un domaine de fréquences adapté au support de transmission• meilleur protection du signal contre le bruit•transmission simultanée de messages dans des bandes de fréquences adjacentes : meilleure utilisation du support

4 types de modulation :• modulation d’amplitude• modulation de fréquence• modulation de phase (synchronisation)• modulation combinée (ex. : d’amplitude et de phase)

Nombre de modulations / s = f(W) du canal de transmission

41

Modulation et débit binaire (1)

Rapidité de modulation = le nombre de changements d’état physique par unité de temps (signal numérique)

Rm (bauds) = 1 / T (secondes) T : intervalle de modulation

Un signal numérique dont la durée de chaque élément binaire est

Modulation de la porteuse en fréquence :a) avec 2 valeurs de fréquence (0, 1)

l’intervalle de modulation T = transport d’un élément binaire (bit) Rm (bauds) = 1 / T = D (bit/s)

b) avec 4 valeurs de fréquence (00, 01, 10, 11)l’intervalle de modulation T = transport de 2 bits

Rm (bauds) = 1 / T et D (bit/s) = 2 * 1 / T

42

Modulation et débit binaire (2)

• d’une façon générale, on a : D (bit / s) = Q * Rm• Q = nombre bits / intervalle de modulation

(valence du signal = 2 **Q)

• remarque : lorsque Q = 1 (modulation simple), le débit binaire (bit/s) est égal à la rapidité de modulation (bauds)

• par abus de langage (et par erreur), on peut parler de débit en baud (avec Q 1).• rapidité de modulation maximale admissible : théorème de Nyquist :

• si W est la largeur de bande d’un support, alors la rapidité de modulation est limitée par : Rmax (baud) = 2 * W•Le théorème d'échantillonage de Nyquist établit qu'un signal analogique peut être reconstruit à partir des échantillons numérisés si la fréquence d'échantillonage est au moins deux fois la bande passante du signal original.

43

Résumé des limitations

• Support = filtre passe-bas

• forte distorsion au dessus de fc

• " Baud : rapidité de modulation

• débit (bps) = Baud * Log2 V (b)

• " Théorème de Nyquist :

• débit maximum = 2 fc Log2 V (bps)

• " Théorème de Shannon :

• débit max sur canal bruité = fc Log2 (1+S/B) (bps)

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Multiplexage

• Objectif : Optimiser l’usage des canaux de transmission transit simultané du maximum d’informations

• Principe : Traiter le signal pour concentrer des flux d’origines diverses sous forme d’un signal composite unique

signal multiplex• Trois techniques coexistent :

multiplexage par répartition de fréquences ({sous-bandes}) variante (fibre optique : WDM : multiplexage en longueur d’onde)

multiplex temporel (TDM : Time division multiplexing)

multiplex temporel statistique : récupérer la bande passante des voies inactives (mais obligation de transmettre l’adresse de la voie émettrice). Utilisation d’une voie d’acheminement du signal composite dont le débit (Dt) est inférieur à la somme des débits des voies reliées au multiplexeur ( Di), il y a sur-allocation. Le rapport Di / Dt est couramment de 4 à 5.

très utilisé pour les lignes spécialisées permanentes.

45

Types de transmissions

© J

ean

Seg

uin

EN

SS

AT

• Transmission analogique :signal analogique (radio, téléphone)signal numérique (ordinateur)

• Transmission numérique :signal numérique (bande de base)signal analogique (MIC *)

nécessite la numérisation du signal

*MIC = modulation par impulsion et codage

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Transmissions analogiques

(ou transmissions par modulation d’une onde porteuse)

Le spectre des signaux modulés est centré sur la fréquence porteuse :largeur du spectre = largeur du spectre à transmettre transmission par transposition de fréquence

Le rôle de la porteuse transporter les signaux dans la bande passante du support ; elle ne véhicule en elle-même aucune information, seule sa modulation a une signification.

L’opération de modulation / démodulation est réalisée par un modem (ou ETCD).Utilisation des différentes modulations : Modulations d’amplitude : radiodiffusion mono et stéréophonique, téléphonie Modulations de fréquence : radiodiffusion stéréophonique, télédiffusion, téléphonie Modulations de phase : transport des signaux numériques sur les circuits téléphoniques, faisceaux hertziens, liaisons satellites

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Transmissions numériques

• Un signal en bande de base (BdB) ne subit pas de transposition, l’ETCD est un simple codeur (codeur BdB).

• Technique utilisable seulement sur les supports n’introduisant de décalage en fréquence.

• Le signal occupe toute la bande passante disponible.

• Avantages : simplicité et faible coût.(pas de phase de modulation / démodulation)

suite de symbolesbinaires

de durée Tcodeur BdB

suite de symbolestransformésde durée

fonction de codage

48

Codage d’un signal

• La transmission directe de la suite des symboles binaires n’est pas possible :

• limitation de la bande passante vers les fréquences extrêmes de nombreux supports de transmission• nécessité de transmettre le rythme d’horloge pour pouvoir reconstituer la séquence des données reçues• la déformation des signaux transmis augmente avec la largeur de la bande de fréquence utilisée

• Les fonctions de codage permettent d’adapter le signal au support de transmission

• Codages à 2 (-a, +a) ou 3 (-a, 0, +a) niveaux

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Exemples de fonction de codage

Codages à 2 niveaux : (codage en bande de base)codage NRZ (No return to zero)0 - a et 1 + ala suite binaire 01011000 est représentée par :

On montre que le spectre de puissance du signal NRZ est concentré au voisinage des basses fréquences

mauvaise transmission par le supportProblème de synchronisation émetteur /récepteur : séparation deplusieurs valeurs identiques à la suite

50

Codage à 2 niveaux

Codage de Manchester (biphase) (toujours en bande de base):consiste à introduire dans le signal des transitions au milieu

de chaque intervalle (ex. : 0 front montant, 1 front descendant)La même suite binaire 01011000 est représentée par :

On montre que le spectre de puissance du signal Manchester s’étale sur la bande de fréquences [0, 2 ]

bien adapté à un support à bande passante assez largeIntérêt: Une transition pour chaque bit. Permet une meilleure synchronisation du récepteur mais le débit est divisé par 2 par rapport au NRZ

51

Autres codages

• Codage à 2 niveaux :

* code de Manchester (biphase) différentiel :ai-1 - ai vaut 0 front montantai-1 - ai vaut 1 front descendant

* code de Miller = codage de Manchester en supprimant une transition sur deux

• Codage à 3 niveaux :

* code bipolaire simple :signal transmis vaut 0 si la donnée vaut 0signal transmis vaut alternativement +a ou -a si la donnée vaut 1

* BHDn = variantes du code bipolaire simple destinées à limiter le nombre de zéros successifs (n+1ième non nul)

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Définitions temporelles des signaux

(transmission en mode …)

Anisochrone : quelconque ; écart entre 2 signaux (bits) sans exigence ni relation avec l'écart entre 2 autres signaux : RAS.

Asynchrone : inverse de synchrone ; pas d'écart constant entre 2 signaux (bits) : transactionnel, transfert de fichiers, interconnexion de LAN.

Isochrone : égal ; écart constant entre 2 signaux (bits) en rapport avec un intervalle unitaire de base (Tu = temps unitaire ; écart entre 2 signaux = Tu ou 2Tu ou 3Tu, etc.) : voix, vidéo.

Plésiochrone : près de ; fréquences de signaux proches mais non identiques : hiérarchie PDH.

Synchrone : ensemble ; écart constant entre 2 signaux (bits), même cadence : hiérarchie SDH.

53

Synchronisation des transmissions (1)

Transmissions synchrones :Une suite de données est synchrone quand le temps qui sépare les

différents instants significatifs est un entier multiple du même intervalle de temps T.

Les caractères se suivent sans séparation.Un signal de base de temps (ou d’horloge) est toujours associé aux

données.

=

54

Synchronisation des transmissions (2)

Transmissions asynchrones :Une suite de données à instants aléatoires est plutôt transmise caractère par

caractère. succession de trains de symboles binaires séparés par des intervalles

quelconques.La transmission asynchrone des données nécessite l’adjonction à chaque

caractère déléments de repérage : Start et Stop bits.La durée du Start bit = durée de 1 bit du caractère (déclenchement de l’horloge locale).La durée du Stop bit = 1, 1.5 ou 2 bits du caractère (arrêt de l’horloge).

55

Exemple de numérisation : le MIC

amplitude

échantillonnage

quantification

codage

PCM = MIC = modulation par impulsion et codage

56

Numérisation de la voix

• La voix :fmax = 4 000 Hzfech = 2 * 4 000 Hz échantillonnage = 125sdébit = 64 kbit/s (pour un échantillonnage sur 8 bits)

• Hi-fi :fmax = 20 000 Hz = 20 kHzdébit = 700 Kbit/s (pour un échantillonnage sur 16 bits)

• (5 gammes de qualité pour la voix et l’audio) :bande téléphonique 300 - 3 400Hz parole intelligible, naturel perturbébande élargie 50 - 7 000Hz parole avec naturel respectébande HiFi 20 - 15 000Hz excellent pour parole et musiquebande stéréo 20 - 20 000Hz qualité CDbande stéréo 20 - 48 000Hz qualité parfaite, studio, cinéma, DVD

57

Eléments de transport de l’information

ETTD A ETTD B

canal detransmission

(ou support physique)

terminalou

ordinateur

terminalou

ordinateur

ETTD = équipement terminal de transmission de données

58

Constitution d’un circuit de données

ETTD AETCD

ETTD BETCD

support detransmission

circuit de données

techniques de transmission

terminalordinateur

modem modem

V24, X21

terminalordinateurliaison de données

cont

rôle

ur d

e co

mm

unic

atio

n

cont

rôle

ur d

e co

mm

unic

atio

n

59

Nature de l’information transportée

ETTD AETCD

ETTD BETCD

support detransmission

modem modem

numérique analogique numérique

Interfaces V24, X21, …

60

Réseau téléphonique : les principes du RTC

Principe d’une communication point-à-point

commutateur

commutateur

commutateur

RTC = PSTN

61

Topologie d’un réseau téléphonique

commutateur

commutateurcommutateur

commutateurcommutateur

commutateur

62

Réseau téléphonique : quelques définitions

CL commutateur local. CAA commutateur à autonomie d'acheminement.CTS commutateur de transit secondaire.CTP commutateur de transit primaire.

ZA zone localeZAA zone à autonomie d'acheminement.ZTS zone de transit secondaire.ZTP zone de transit primaire.

63

Architecture du RTC (1) : une ZAA simple

CL

CL

CL

CL

CAA

CTS

abonnéboucle locale

faisceau

64

Architecture du RTC (2) : une organisation hiérarchique de zones

CTS

CTP

ZTP

ZTS

ZAA

ZAA

ZAA

CTP

ZTS

ZTS

65

Le RTC en France

CAA

05 ZTP

39 ZTS1500 ZAA

CTS CTP

RTC : réseau téléphonique commuté

CL6000 ZL

10 000 abonnés / ZL

66

Le RTC - les commutateurs

Commutateurs d’abonnés Commutateurs de transit

CAA fonction de routageex: E10B3, AXE10

CLne peut analyser lesnuméros / URAD

ajouter les commutateursd’abonnés auxiliaires qui fontde la concentration de lignes

CTS

CTP classe 1, reliés2 à 2classe 2, liaisonsentre CAA de la ZTS ou externes

CTU liaisons entreCAA d’une ZAAU

67

Le RTC - les différentes zones locales

CAA

ZAAS : zone à autonomied’acheminement simple

CAA

ZAAM : zone à autonomied’acheminement multiple

CAA CAA

CTU

ZAAU : zone à autonomied’acheminement urbaine

CAA CAA

68

Le RTC - la connexité

CTP

CTS

CAA

CL

CTP

CTS

CAA

CL

faisceau obligatoire

faisceau transversal

Règles:-acheminement pas-à-pas-indépendance de l’amont

-1/ écoulement maximum du trafic -2/ faisceau hiérarchique-3/ renvoi sur tonalité

69

Le RTC - les liaisons internationales

CTP

CTS

CTP

CTS

CITP

CIA

CITP : commutateurinternational de transitprincipalCIA : commutateurinternational automatique

international

CAA

CL

CAA

CL

international

70

Liaison entre 2 ordinateurs ou 2téléphones avec le réseau téléphonique

boucle locale

artère à haut-débit

faisceau ouartère principale

CTS

CTP

CL ou CAA

CTS

CL ou CAA

codec*modem*

* modem2*28Kbit/s

OU

FAI

modem*

OU

boucle locale

*codec = codeur-décodeur*modem = modulateur-démodulateur

71

Liaison entre 1 ordinateur et 1 fournisseurd’accès Internet avec le réseau téléphonique

artère à haut-débit

faisceau ouartère principale

CTS

CTP

CL ou CAA

CTS

CL ou CAA

codecmodem*

*modem2*28Kbit/s

OU Internet Internet

FAI : fournisseur d’accès

?

72

L’ADSL (1) : Liaison entre 1 ordinateur et 1 fournisseur d’accès Internet

CL ou CAA

codecmodem* (1)

ET Internet Internet

FAI : fournisseur d’accès (2)

DSLAM*

CTStéléphonievia le RTC

ET

trafic Internet

via un réseau (3)ADSL

3 questions :1- quel abonnement téléphone ?2- quel fournisseur d’accès ?3- quel réseau ? *DSL access multiplexer

73

L’ADSL (2)P

uiss

ance

Fréquence (Hz)

Téléphonieanalogique

Donnéesmontantes

Donnéesdescendantes

0 4 kHz

2 idées fondamentales :

• exploiter toute la bande passante du RTC

• séparer les données montantes et descendantes

Asymmetric Digital Subscriber Line

74

L’ADSL (3)pu

issa

nce

fréquence

Téléphonieanalogique

Données montantes :24 canaux

Données descendantes :217 canaux

04 kHz

26 kHz 1.1 MHz

Bande passante ADSL avec DTM (Discrete Multitone Modulation)

Canaux inutilisés à cause de la qualité de la ligne

4,3 kHz

200 kHz

75

L’ADSL (4) : bande passante et distance

Affaiblissement (dB)

Fréquences (Hz)10 KHz 100 KHz 1 MHz80

20

40

60

0

4 Km3 Km

2 Km

1 Km

débit distance

76

Les xDSL (asymétriques)

• ADSL : Asymetric Digital Subscriber Line– débit 1.544 à 9 Mb/s en descendant

– débit 16 à 640 Kb/s en montant

– distance maximale de 5,4 km à 1,5 Mb/s

• RADSL : Rate-Adaptative Digital Subscriber Line – débit 640 Kb/s à 2.2 Mb/s en descendant

– débit 272 Kb/s à 1.088 Mb/s en montant

– distance maximale de 5,4 km à 1,5 Mbit/s

• VDSL / VDSL+ : Very-high-data-race Digital Subscriber Line– 2.9 à 52.8 Mb/s (à 300 m) en descente seule ou 1.5 à 2.3 Mb/s dans les 2

sens, distance maximale de 1,5 km à 13 Mb/s

(selon qualité ligne, diamètre du fil, …)

77

Les xDSL (symétriques)

• SDSL Single-line Digital Subscriber Line :– distance maximale de 7 km à 128 Kb/s, de 3 km à 2.048 Mb/s

– remplacée par HDSL2

• SHDSL Symmetric High bit rate Digital Subscriber Line :– débit 192 Kb/s à 2.3 Mb/s

• HDSL / HDSL2 High-Data-rate digital Subscriber Line :– débit 2.048 Mb/s (3 paires torsadées), 1,5Mb/s (2 paires)

– distance maximale de 7 km

(selon qualité ligne, diamètre du fil, …)

78

Historique des supports de liaison

• Multiplexage fréquentiel

– brins FDM: groupes primaires, secondaires...

• Codage PCM (fin des années 60)

– BP [300-3400Hz], 8kHz, 8 bits, canaux numériques à 64 Kbit/s

• Multiplexage temporel

– brins TDM (MIC synchrone)

• Hiérarchie plésiochrone (1970 à 1985)

– brins PDH

• Hiérarchie synchrone (depuis 1984)

– brins SDH (SONET)

79

Trame E-1 (MIC - G732)

canal 0 canal 1 canal 2 canal 16 canal 31

Canal 0 : octet de synchronisationCanal i : 8 bits par voie et par échantillonCanal 16 : octet de signalisation des 30 voies

Débit E-1 = ( 32 x 8 ) / 125 s = 2,048 Mbit/s

Trame de 256 bits (125 s)

80

TDM : T-n (USA…) / E-n (Europe…)

• Système T

– T1 : 1,544 Mbit/s, trame DS1 [24 canaux], T1c

– T2 : 6,312 Mbit/s, trame DS2 [96 canaux]

– T3 : 44,376 Mbit/s, trame DS3 [672 canaux]

– T4 : 274,176 Mbit/s, trame DS4 [4030 canaux]

• Système E

– E1 : 2,048 Mbit/s [30+2 canaux]

– E2 : 8,448 Mbit/s [120 canaux]

– E3 : 34,368 Mbit/s [480 canaux]

– E4 : 139,264 Mbit/s [1920 canaux]

– E5 : 565,148 Mbit/s [7680 canaux]

81

Hiérarchie E-n (Europe…)

E5

E4 E4 E4 E4

E3 E3 E3 E3

E2 E2 E2 E2

E1 E1 E1 E1

30 +2 canaux 64 kbit/s

Système E (Europe, ++…)E1 : 2,048 Mbit/s [30+2 canaux]E2 : 8,448 Mbit/s [120 canaux]E3 : 34,368 Mbit/s [480 canaux]E4 : 139,264 Mbit/s [1920 canaux]E5 : 565,148 Mbit/s [7680 canaux]

Système T (USA, Japon, …)T1 : 1,544 Mbit/s, trame DS1 [24 canaux]T2 : 6,312 Mbit/s, trame DS2 [96 canaux]T3 : 44,376 Mbit/s, trame DS3 [672 canaux]T4 : 274,176 Mbit/s, trame DS4 [4030 canaux]

82

Organisation de la hiérarchie : PDH

• PDH

– Plésiochronous Digital Hierarchy

– décalage des horloges entre systèmes distants

• Transmission numérique téléphonique

– composer à partir de multiplex d’un débit donné un multiplex de débit supérieur

• Débits normalisés

– débit de base : 1 voie 64 Kbit/s

– 5 ordres de multiplex de E1 à E5

83

PDH peu flexible

• Difficulté pour les multiplexeurs

– il n’est pas possible d’identifier un multiplex particulier dans le brin porteur : nécessité de multiplexer (et dé-) à plusieurs niveaux

84

Hiérarchie numérique synchrone SDH / SONET

• Synchronous Digital Hierarchy

– débits de transmission élevés : jusqu’à 10Gb/s

– fonctions plus simple qu’en PDH d’accès et de retrait des canaux « add and drop »

– disponibilité aisée, réaction simple à la demande

– sécurité, mécanismes de récupération

– support idéal pour des services de téléphone classique aux accès LAN

– standard, interconnexion plus simple… (SDH/SONET)

– SONET: USA, Canada, Japon / SDH : le reste...

85

Le modèle SDH

interface physique

section de régénération

section de multiplexage

couche VC-4

couche VC-12

ATMRTC/RNIS IP

VC : conteneur virtuel, charge utile en extrémité des multiplexeursVC-4 : prise en charge signaux à 140 Mb/s ou ATMVC-12 : prise en charge des signaux à 2 Mb/s

86

Désignation des sections SDH

PDHIP

ATM

PDHATMIP

sectionlien direct

section de multiplexage / ligne

chemin / conduit

multiplexeurSDH

multiplexeurSDH

multiplexeurSDHrépéteur répéteur

section lien direct

section lien direct

section lien direct

section de multiplexage / ligne

87

Elément SDH : le multiplexeur

Multiplexeurterminal

PDH

SDH

STM-NFonction d’un multiplexeur : combinaison de signaux PDH et SDH d’une hiérarchie inférieure pour composer une hiérarchie STM-N

Add / DropMultiplexeur

STM-N STM-N

PDH SDH

Fonction d’un ADM : insertion ou suppression d’un flux PDH ou SDH à partir d’une hiérarchie supérieure

88

Elément SDH : le commutateur DXC

DXC : brasseur numériqueVC : conteneur virtuel (données utilisateur + POH)

STM-16STM-4

STM-16STM-4

STM-1 STM-1

140 Mbit/s 140 Mbit/s34 Mbit/s 34 Mbit/s2 Mbit/s 2 Mbit/s

Fonction d’un DXC : mapping des signaux PDH dans des VC et commutation des VC

89

Elément SDH : la trame élémentaire STM-1

• Synchronous Transport Module - 1

– débit de 155,52 Mb/s, ITU-T G.707

– premier niveau de la hiérarchie synchrone

• Description

– matrice de 9 lignes par 270 colonnes, 125 s

– chaque octet « utile » représente un canal 64kb/s

SOH

AU pointer

LOH

charge utile / capacité

SOH : surdébit de section

1 9 2701

9

LOH : surdébit de lignePOH : surdébit de conduit

90

Placement des charges utiles

SOHAU pointer

LOH

SOHAU pointer

LOH

unité administrative(info utile)

POH

2PO

H 1

Trame 1

Trame 2

unité administrative précédente

9 octets 261 octets

9 li

gnes

surdébit

tem

ps

9 li

gnes

91

Principe de la hiérarchie

• « Conteneur, C-n »

• A chaque signal plésiochrone correspond une unité de base: C-n

• « Conteneur virtuel, VC-n »

• Un VC est composé d’une unité C-n et d’un POH

• le VC est transmis de bout-en-bout donc ne change pas sur un conduit

• « Unité administrative de niveau n, AU-n »

• pointeur sur le début du POH dans la trame STM

• STM-N

• plusieurs AU-n = AUG (groupe d ’-)

92

Hiérarchie

Conteneurs

Conteneur virtuel niveau N

Unité d’affluent niveau N

POH

pointeur

Groupe d’affluents niveau N

Unité administrative

Groupe d’unités administratives

STM-1

SOH

Unité d’affluent niveau N

93

Multiplexage PDH vers STM-1

C-11

C-12

C-2

C-3

C-4

VC-2TU-2

VC-12TU-12

VC-11TU-11

TUG-2

VC-3

VC-3TU-3TUG-3

VC-4

AU-3

AU-4AUG

Sonet

Europe

Général

140

45/34

6

2

1,5

PDH

x3

x4

x7

x3

94

Niveaux de multiplexage SDH/SONET

SONET

STS-1/OC-1

STS-9/OC-9

STS-12/OC-12

STS-18/OC-18

STS-24/OC-24

STS-36/OC-36

STS-48/OC-48

SDH

STM-1

STM-3

STM-4

STM-6

STM-8

STM-12

STM-16

Débits (Mbit/s)

51,84

155,52

466,56

622,08

933,12

1244,16

1866,24

2488,32

STS-3/OC-3

STS : Synchronous Transport SignalOC : Optical CarrierSTM : Synchronous Transport Module

STM-64 9953,28STS-192/OC-192

95

Réseau téléphonique RNIS - ISDN

• Réseau numérique

• Intégré = transmission + commutation

commutateuranalogique F

DM

FD

M

FD

M

FD

M

TD

M/P

CM

TD

M/P

CM

Réseau non-intégré

Réseau intégré

commutateurnumérique

commutateuranalogique

commutateuranalogique

commutateurnumérique

commutateurnumérique

96

Réseau numérique à intégration de services

• 1968 : Groupe de travail du CCITT sur le « numérique »

• 1972 : G.702 concept du réseau numérique intégré

• 1976 : spécifications SS7

• 1980 : G.705 première recommandation RNIS

• Années 80 : RNIS / ISDN

– accès « intégré » à tous les services, accès numérique de bout-en-bout

– premières spécifications / implantation

– Ensemble d’interfaces d’accès

– Permet la commutation de circuits et paquets

– Signalisation SS7

97

Architecture RNIS

© J

ean

Seg

uin

EN

SS

AT

SS7

SwitchRNIS

SwitchRNIS

ATM

X25 / FR

Fournisseurde service

PDH/SDH

98

Types de canaux et Interface d’accès RNIS

© J

ean

Seg

uin

EN

SS

AT

• Canal B transport de la voix ou des données

– 64 Kbit/s

• Canal Dsignalisation / transport de données par commutation de paquet

– 16 ou 64 Kbit/s

• Canal H débits supérieurs

– H0 (384 Kbit/s), H11 (1536 Kbit/s), H12 (1920 Kbit/s)

• Interface d’accès de base : interface S BRI : Basic Rate Interface

– 2B+D = 2x64 + 16 = 144 Kbit/s

• Interface d’accès primaire : interface T PRI : Primary Rate Interface

– 23B+D = 23x64 + 64 = 1,536 Mbit/s (T1)

– 30B+D = 30x64 + 64 = 1,984 Mbit/s

99

Points de référence RNIS

TE1

TE1 ou TE2+TA

TA NT2

NT2

NT1-2

TE2 NT1

NT1

UTS

R

R : Rate, RS-232…S : SystemT : TerminalU : usager

opérateurUNI : Interface usager réseau

NT1 = TNR = terminaison numérique de réseauNT2 = TNA = terminaison numérique d’abonnéTE1 = terminal RNISTE2 = terminal non RNISTA = adaptateur de terminal

100

RNIS Service deVisiophonie H320 : (1) tramage et synchronisation de flux

RNIS : 2 canaux B : 128 Kbit/s

audio : 16 Kbit/s G711

vidéo : 94,4 Kbit/s H261, H263

données : 14,4 Kbit/s T120

tramage : 2*1,6 Kbit/s H221

pilotage du service, multipoint, signalisation hors bande

101

RNIS : 6 canaux B : 384 Kbit/s

audio : 56 Kbit/s G722 (bande élargie 7 KHz), G711

vidéo : 249,6 Kbit/s H261

données : 32 Kbit/s T120

tramage : 6*1,6 Kbit/s H221

pilotage du service, multipoint, signalisation hors bande

RNIS Service de Visiophonie H320 : (2) tramage et synchronisation de flux

102

Raccordement RNIS (1) chez le particulier

TNR

terminaux RNIS de l ’abonné

Interface S ou T

Interface U

Centre de raccordement RNIS

chez l’abonné

équipements de l ’opérateur

103

Raccordement RNIS (2) dans l’entreprise

TNR

interface T

interface U

Centre de raccordement RNIS

chez l’abonné

équipements de l ’opérateur

TNA

PABX

terminaux RNIS

terminauxnon RNIS

adaptateur

RLE

adaptateur interface S

interface S

104

Spectre électromagnétique, supports appropriés et gammes d’ondes associées

16 -> 20 KHz : ondes sonores parole, chant air

20 -> 100 KHz : ultrasons télécommande paires métalliques, air

30 -> 300 KHz : grandes ondes radio paires métalliques, air

0,3 -> 3 MHz : ondes moyennes radio coaxial, faisceau hertzien

3 -> 30 MHz : ondes courtes radio coaxial, faisceau hertzien

30 -> 300 MHz : hyperfréquences TV, télécoms espace, coaxial

0,3 -> 3 GHz : ondes radioélectriques radio, radar, télécoms espace, coaxial

3 GHz -> 3 THz : micro-ondes radio, radar, télécoms espace, coaxial

3 -> 400 THz : ondes infra-rouges optique, télécoms espace

400 -> 800 THz : lumière visible optique, télécoms fibre optique, espace

800 -> 3*103 THz : ultraviolet optique espace

106 THz : rayons X médecine, mécanique air, eau, métaux

<3*108 THz : rayons gamma nucléaire air, eau, métaux

105

Technologies du sans fil

La radio

- cadre réglementaire contraignant

- portée de 100 m à quelques kms

L’infrarouge

- ne traverse pas les parois opaques aux IR

- respecter les angles d’émission

Le laser

- débit important

- liaison point à point

les ondes radio - les micro-ondes,

les ondes infrarouges et millimétriques,

les ondes lumineuses.Le sans fil

Les satellites de télécommunications

Des réseaux variés (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, ...

106

Le sans fil : Les modes opératoires

• Modes de fonctionnement infrastructure

Configuration minimum :

BSS = 1 point d’accès relié à un réseau filaire + ensemble de postes réseau sans fil

Configuration étendue :ESS = au moins 2 BSS

107

Le sans fil : Les modes opératoires

• Modes de fonctionnement ad hoc (point à point)

Configuration :IBSS = aucun point d’accèsCommunication directe entre plusieurs stations sans fil 802.11

108

• Le débit du WLAN dépend de plusieurs facteurs :

- le nombre d’utilisateurs,- la portée des micro-cellules, - les interférences, - la propagation sur de multiples chemins, - le support des standards,- le type de matériel,- les protocoles supplémentaires, les règles d'accès,- la latence,- les goulets d’étranglement.

Le sans fil : La portée et les débits

109

Le sans fil : La portée et les débits

110

Le sans fil : La portée et les débits

Les interférences peuvent être liées à plusieurs facteurs :– Propagation multiple : rebondissements de l’onde dus à un

environnement clos => effet de fading (affaiblissement) du signal

– Transmissions ISM : interférences avec des appareils utilisant la bande des 2.4GHz (appareils radiophoniques et médicaux)

– Fours micro-ondes : émettent des radiations dans la bande des 2.4GHz

111

Les technologies du sans fil (1)

802.15.4

Home Radio Frequency

802.15.1Harald Blåtand, dit Harald « les dents bleues », au Xe siècle, a unifié le Danemark, la Norvège et les royaumes vikings

802.11.x

HiperLAN High performance Radio Local Area Network

Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips et Samsung

Ericsson, IBM, Intel, Nokia et Toshiba

Intel, HP, Siemens, Motorola, Compaq et Proxim

Wireless FidelityIEEE

European Telecommunications Standards Institute (ETSI)

112

Les technologies du sans fil (2)

: promu par l'alliance WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) : version de base : débit de 11 Mbits par seconde, portée : 100 mètres ; évolutions : 802.11g affiche 54 Mbps sur la bande de fréquences des 2,4 GHz et 802.11a le même débit sur des fréquences de 5 GHz.

: lancé par Ericsson en 1994, conçu au départ pour permettre les échanges de données entre les appareils numériques (assistant, téléphone, appareil photo, portable...). Il offre des débits moyens (1 Mbits/s en théorie) sur un rayon limité (10 à 30 mètres en pratique) sur la bande de fréquences des 2,4 GHz.

: lancé Compaq, HP, IBM, Intel et Microsoft, HomeRF a été imaginé avant tout pour un usage domestique. Ses performances théoriques sont semblables à celles de Wi-Fi (débit de 11 Mbits/s). En outre, un réseau HomeRF permet aussi de soutenir des liaisons DECT, technologie de transport de la voix en mode numérique sur les réseaux sans-fil.

113

Les technologies du sans fil (3)

: prolongement de la norme HomeRF qui a, depuis son lancement en 1998, été dépassée par le Wi-Fi ; débits : entre 20 et 250 Kbits/s ; très faible consommation électrique : son atout principal ; bande de fréquences des 2,4 GHz et sur 16 canaux ; portée de 100 mètres.

: élaborée sous la tutelle de l'ETSI, Hiperlan est une norme exclusivement européenne. Hiperlan1 apporte un débit de 20 Mbps et Hiperlan2 de 54 Mbps sur un rayon d'action semblable à celui de Wi-Fi et HomeRF (100 mètres). Originalité d'Hiperlan 1 et 2 : sa gamme de fréquence de 5 GHz.

HiperLAN

114

Bandes de fréquences pour les communications par satellite

- bande L : 1,5 à 1,6 GHz terminaux mobiles, télé UHF,

téléphone cellulaire, liens télé-studios

- bande S : 1,9 à 2,2 GHz voir norme UMTS

- bande C : 4 à 6 GHz télévision, multimédia (pbs / météo)

- bande Ku : 11 à 14 GHz télévision, multimédia (pbs / météo)

- bande K : 18 à 26,5 GHz idem (pbs / météo)

- bande Ka : 26,5 à 46 GHz idem (pbs / météo)

Fréquence : qualité mobilité taille antenne

115

Interconnexion de réseaux : services satellites GEO

GEO : geosynchronous earth orbit

orbite : 36 000 kmdélai : 0,25 à 0,5 s

applications :radiodiffusion, TV,voix (fixe)VSAT + hub

116

Interconnexion de réseaux : services satellites MEO

MEO : middle earth orbit

orbite : 5 000 à 18 000 kmdélai : 0,1 s

applications :GPS (24 satellites),pas télécoms

117

Interconnexion de réseaux : services satellites LEO

LEO : low earth orbit

orbite : 450 à 1650 kmdélai : 0,03 s

applications :voix (mobiles),données

118

Constellations de satellites

Téléphonie mobile :- Iridium LEO, 66 satellites, L, 780 km

début 1998, 1628 cellules * 3840 canaux

- Globalstar LEO, 48 satellites, L et S et C

Internet haut débit :- SkyBridge LEO, 80 satellites, Ku, 6K à 20Mbit/s

- Teledesic LEO, 30 satellites, Ka, 100M (voie montante)à 720Mbit/s (voie descendante)

(évolutions en cours...)

119

Architecture d’un réseau GSM

BSS

?

NSS

?

BSCBTS

AuCHLR

VLR

RéseauCommutéPublic

MSC

BSS - « Sous-système radio » NSS - « Réseau cœur »

Micro BTS

120

Exemple de système cellulaire

GB

AC

FE

D

GB

AC

FE

D

GB

AC

FE

D

Pas de réutilisation d’une même fréquence dans des cellules adjacentes

Diminuer la taille des cellules pour augmenter le nombre d’utilisateurs

121

Les différents types de réseau GSM

• GSM: Global System for Mobile communications

– Norme Pan-Européenne pour les communications mobiles adoptée par plus de 500 opérateurs dans plus de 200 pays

– permet de transporter la voix et les données à faible débit

• GSM 900 (Bandes de fréquences autour de 900 MHz)

– En France : Orange et SFR puis Bouygues

• GSM 850

– Principalement Asie et Amérique Latine

• GSM 1800

– En France : Bouygues puis Orange et SFR

• GSM 1900

– Variante du GSM 1800 en Amérique du Nord et du Sud

122

Interface radio GSM

GSM DCS

bande de fréquence (MHz) : 890-915 1710-1785935-960 1805-1880

accès multiple : TDMA multiplexage fréquentiel et temporelpas du découpage en fréquences : 200 KHznombre d’intervalles de temps / trame TDMA : 8écart duplex : 45 MHz 95 MHzrapidité de modulation : 271 Kbit/sdébit de la parole : 13 Kbit/sdébit max de données (version de base) : 14,4 Kbit/srayon des cellules (km) : 0,2 à 30 0,2 à 4puissance type des terminaux : 2 W 1 W

123

Architecture d’un réseau GPRS

Paquet

GSM+GPRSSGSN

Réseaufédérateur

GPRS

GGSN

MobileGPRS

Circuit

BSS

HLR

Internet

Service Passerelle

RéseauCommutépublic

MSC

124

Architecture d’un réseau UMTS

UTRANCircuit

Réseau

IP

Terminalmultimode

UMTSGSM/GPRS

RéseauCœur

PaquetInternet

« Réseau d’accès radio UMTS » « Réseau cœur »

RNC

RNCPaquet

Node B

Node B

Node B

RéseauCœur Circuit

RéseauCommutéPublic

125

Du GSM au GPRS, EDGE et UMTS

Adéquation des systèmes 2G, 2.5G et 3G avec différents services :

Non

images

Oui (++)UMTS< 2 Mbit/s

Oui (--)Oui (+)EDGE/GPRS< 384 kbit/s

NonOuiGPRS< 160 kbit/s

Oui (---)GSM< 9.6 kbit/s

vidéo (MP3)musiquesjeux

informations et actualités

messagerie électroniqueSystème

126

GSM, GPRS, EDGE et UMTS : exemples

• 2 min 30 de musique MP3 (2,4 Mo)

GSM 34 mnGPRS 5 mnEDGE 1 mnUMTS 10 s

• Streaming Audio et Vidéo

Avec toutes les

technologies sauf GSM

• Téléchargement d'une carte (50 Ko)

GSM 42 sGPRS 6 sEDGE 1 sUMTS 0,2 s

• Téléchargement d'un document Word

(500

Ko)GSM 7 mnGPRS 1 mnEDGE 10 sUMTS 2 s

127

Diversité des modes d’accès

WAN / IP téléphone

modemanalogique

xDSL

sans fil

satellite

Réseau d’accès / interconnexion de réseaux

128

Cours Réseaux

fin du chapitre 2