Introduction à la téléphonie cellulaire. Notes et compléments de cours, d après les cours de Mr Michel Misson.

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1 Introduction à la téléphonie cellulaire Notes et compléments de cours, d après les cours de Mr Michel Misson. Aurélien Surier Garofalo Etudiant en DUT Réseaux et Télécommunications à l université d Auvergne. Octobre 2015

2 L implémentation d une nouvelle technologie : un problème économique g a i n ROI Nouveau ROI p e r t e Inversion de tendance (premiers abonnements) Coût des installations, infrastructure et fibre. Changement de technologie ROI : Return Of Investment ou Retour Sur Investissement : le montant d argent gagné ou perdu par rapport à la somme d argent initialement investie dans un investissement. Pour que l entreprise soie gagnante, il faut que le montant soit positif (gain d argent) et sur le plus court terme possible. Or, plus l opérateur change de technologie, plus l instant où l entreprise va faire des profits va reculer. C est pourquoi certains opérateurs peuvent ne pas être intéressés à changer de technologie dès qu elle sort sur le marché public. Dans d autres cas, l opérateur peut prédire qu aucun gain n est possible (site géographique où il y aurait peu de client potentiels), et n a aucun intérêt à installer son matériel (voir la section sur le fracture numérique). Les utilisations de fréquences GSM Duplexage (Frequency Division Duplex - FDD) : utilisation de deux fréquences différentes pour le canal montant (Tx) et le canal descendant (Rx) dû à l effet d aveuglement. L écart en fréquence de leurs porteuses est de 45 MHz pour GSM et 95 MHz pour DCS et GSM (Europe) : MHz uplink, MHz downlink MHz uplink, MHz downlink (Etats-Unis seulement) : MHz uplink, MHz downlink

3 La bande passante est exploitée en FDMA (accès multiple par répartition en fréquence) : découpage en bandes de fréquences de manière à attribuer une partie du spectre à chaque utilisateur. De cette manière, chaque utilisateur se voit attribuer une ou plusieurs bandes de fréquences distinctes. Chaque porteuse est exploitée en TDMA (multiplexage temporel). En GSM chaque porteuse supporte huit intervalles de temps (time slot) attribués à huit communications simultanées. Rappel : représentation d une interférence entre 2 symboles Ainsi, pour le GSM 800 (Europe, 1 ère bande) : 175 porteuses (canaux) de 200 khz chacune, chacune contenant 8 time slots. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) : étalement de spectre à saut de fréquence. Permet de réduire les interférences entre les transmissions de diverses stations (plusieurs liaisons peuvent avoir lieu sur la même bande de fréquence), et est très efficace en cas d évanouissement sélectif («diviser pour mieux régner»). La séquence pseudo-aléatoire est connue de l émetteur et du récepteur.

4 Méthodes pour contrer la fracture numérique utilisation du WiMax (mode de transmission et d accès à Internet haut débit, portant sur une zone géographique étendue ; il en existe des versions fixes et mobiles) (voir https ://fr.wikipedia.org/wiki/wimax) partage de l hardware entre opérateurs (baisse des coûts, système «aidé» par l Etat) Comment compenser les effets de la gigue? (gigue : variation de délai de transmission entre l émetteur et le récepteur) On utilise une mémoire tapon (ou buffer) au niveau du récepteur. Retard du réseau Buffer FIFO (First In, First Out ou premier arrivé, premier sorti) Politique du panier perçé : on purge les plus anciens éléments pour récupérer avec succès les nouvelles données et ainsi éviter la perte de données si le buffer est plein. Utilisation : téléphonie, Fibre optique

5 Le GSM : la force d une infrastructure modulaire Architecture générale : Le Terminal mobile ou Mobile Station Il contient une carte SIM (Suscriber Identity Module), élément sécurisé et amovible contenant une puce équipée d un microcontrôleur et d une mémoire. Des informations spécifiques à l abonnés et à l opérateur y sont stockées, ainsi que des données utilisateurs (annuaire ). Le terminal émet jusqu à 2 W pour le GSM 900 et 1 W pour le GSM Le Base Station Subsystem (BSS) ou Sous Système Radio Il s agit de l interface radio avec le terminal et gère la gestion des ressources radio. Il est chargé de la connexion des terminaux mobiles avec la partie commutation du réseau GSM. Et si on zoom :

6 La BSS est composé de 3 entités :

7 BSS Base Transceiver Station ou Station de transmission de base Placée sur des tours radio, sur les toits des bâtiments, elle est chargée de la liaison radio avec les stations mobiles activation / désactivation d un canal radio TDMA (multiplexage fréquentiel) chiffrement codage canal, modulation démodulation, décodage canal contrôle de la puissance d émission, de la qualité des signaux Capacité : 16 porteuses partageables en 8 slots soit environ 100 communications simultanées https://fr.wikipedia.org/wiki/base_transc eiver_station Base Station Controller ou Contrôleur de station de base Son rôle est de commander un ensemble de BTS Décide de l activation ou non d un canal vers une station mobile, de la puissance d émission des BTS et des MS, gère le handover Concentre les flux de données provenant des BTS https://fr.wikipedia.org/wiki/base_stat ion_controller Transcoder and Rate Adaptation Unit (TRAU) ou unité de transcodage et d adaptation du débit Remarque : il y a 2 possibilités pour l opérateur de connecter son antenne à la BTS : Remarques : cartes enfichables permettant un remplacement rapide en cas de panne du module mais aussi d un upgrade rapide! par le câble existant, mais s il ne lui appartient pas il doit payer pour l utiliser par une antenne directionnelle (une «casserole), qui pointe sur la BTS.

8 Le BSS est relié au cœur du réseau par un réseau backhaul (via des câbles ou faisceau hertzien). Le Network Switching Subsystem Partie «cœur de réseau». C est ici que se fait les établissements des appels (la signalisation), la commutation du réseau. NSS Mobile Switching Center ou centre de commutation pour mobiles Composant central du NSS. Exécute le routage / la commutation des appels, SMS, ainsi que d autre services (Fax ). Gère les services mobiles comme l authentification, la mise à jour de la localisation de l appareil Partie «applicative» VLR : Visitor Location Register ou Registre des Visiteurs Locaux Contient l identité, le profil et la localisation des mobiles qui sont affiliés dans la zone géographique correspondant au MSC. C est dans cette base de données qu est enregistré la localisation de l abonné (je suis dans cette cellule). Le VLR met ensuite à jour cette position dans le HLR. HLR : Home Location Register ou Registre de Localisation de Référence Bdd de l opérateur permettant de faire le rapprochement entre l équipement de l abonné et son dernier état / localisation connus. Contient pour chaque utilisateur : IMSI IMEI MSISDN adresse des MSC et VLR https://fr.wikipedia.org/wik i/home_location_register Partie «données»

9 Utilité d utiliser une VLR et une HLR pour établir une communication : le but est de trouver la cellule dans laquelle est situé l équipement de l appelé. Source : http ://uu.diva-portal.org/smash/get/diva2:613296/fulltext01.pdf Voir aussi : https ://en.wikipedia.org/wiki/network_switching_subsystem et GMSC Gateway Mobile Switching Center Passerelle entre le réseau RTC / PTSN (fixe) et le GSM en convertissant la signalisation utilisée dans les deux technologies différentes. Interagit avec la HLR. Les interfaces La force du réseau GSM fait qu il est étudié et conçu par l assemblage de différents modules permettant une certaine souplesse : chaque entité qui utilise le réseau (opérateur, constructeur de matériel, sous-traitant) s occupe seulement de domaine. Les modules étant séparés (physiquement ou logiquement), il faut un composant permettant de lier entre eux ces entités : c est l interface. Il y en 4 essentielles : Au niveau «physique» Au niveau protocolaire

10 Um, entre les MS et le BSS o utilise le TDMA (chaque porteuse est divisée en 8 time slots) o liaison la plus fragile Abis, entre les BTS et BSC o transmission des données et de la signalisation A, entre BSS et NSS o transmission des données et de la signalisation Les protocoles de GSM Comme on peut le voir sur l illustration, GSM respecte le modèle OSI. Couches niveau paquet Couche liaison de données Couche physique, utilise l air comme médium LampD : link access protocol D-channel Control de flux S assure que les messages soient sans erreurs et exécutés dans la bonne séquence Segmentation et réassemblage largement basé sur HDLC RR : radio resource management Initialisation, maintenance, libération des canaux radio Acheminement de la supervision MM : Mobile Management Enregistrement (Registration) et authentification Localisation en continue

11 CM : Connexion Management Gestion des SMS Contrôle d appel (voir : Les burst GSM Burst (rafale) = transmission GSM Transmission normale (par exemple, de données) Transmission de synchronisation (Frequency Correction Burst) Guard Time : temps de garde TB : Tail bit ou bit de queue : annoncer le début / la fin d un burst Data : no comment 1b : flag : indique le type de champ suivant Training sequence : «mire» utilisé pour la synchronisation. Cette même séquence est connue de l émetteur et du récepteur bits guard time : prévenir le chevauchement avec d autres trames d autres mobiles. (voir : ) Notion de cluster et de cellules Cluster (à gauche) : motif de regroupement de cellules utilisants des canaux différents Cellule : partage de ressource (utilisation de différents canaux) pour éviter des interférences dans le cluster.

12 Composition d une cellule Antenne sectorielle 120 Quelques lois Loi de dispersion : Precue = 1/d² (d : distance) Loi des télécommunication (Friis) : Pr = Pe*Ge*Gr*(lambda/4*Pi)²*(1/d)² (voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/%c3%89quation_des_t%c3%a9l%c3%a9communications) Evolution de GSM Le déficit du réseau est déjà annonce (cf Loi de Cooper). Les usages évoluent (plus de data!), il faut donc plus de débit, donc plus de bande passante ce qui induit l utilisation de nouvelles fréquences. Pour cela, on fait appel : à de nouvelles solutions (2G -> 4g -> 5G) à de nouvelles stratégies (récupération de la bande inutilisée TV hertzienne, par exemple) au couplage avec les nouvelles générations de WiFi à la coopération des technologies (cabines téléphoniques de New York transformés en AP pour densifier le réseau) Le modèle optique LOS (Line Of Sight), «vue directe sur l antenne» : cas très rare en GSM NLOS (Non ~), «on ne voit pas l antenne» : la plupart des cas

13 Dans certains villages de vignerons, les rues sont très serrées : mais comment arrive-t-on à capter un signal? La diffraction Sur Internet :

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