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
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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
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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
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Elimination des basses fréquences
• Utiliser un signal de moyenne nulle: Pas de
composante continue
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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
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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
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Modulation de fréquence
• Variation de la « vitesse » de la porteuse
0 0 0 00 1 1 1
Très robuste au bruit
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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.
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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
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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 »
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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
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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
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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, ...
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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).
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Exemple de numérisation : le MIC
amplitude
échantillonnage
quantification
codage
PCM = MIC = modulation par impulsion et codage
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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