Institut Universitaire de Technologie Département Réseaux et Télécommunications. Les réseaux mobiles

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1 Institut Universitaire de Technologie Département Réseaux et Télécommunications Les réseaux mobiles Présenté par : Fréchard Jérémy Mouline Clément Projet suivi par : M. Lorentz, Enseignant-Chercheur

2 Sommaire : 1. Description du projet 2. Principe général 3. Historique 4. Les premiers réseaux 4.1. Radiocom GSM 5. Réseaux actuels 5.1. GPRS 5.2. EDGE 5.3. UMTS 5.4. HSDPA 6. Réseaux futurs 6.1 LTE 6.2 LTE-A 6.3 5G 7. Conclusion 8. Annexes 9. Ressources documentaires 10. Lexique

3 1. Description du projet : Notre projet tuteuré a pour sujet : Les réseaux mobiles. En première année, notre objectif est de décrire les différents réseaux mobiles, passés, actuels et futures. Pour la répartition du travail, Jérémy c est occupé des parties de 1 à 4, et Clément des parties 5 à 7. Durant la préparation de ce projet, les difficultés rencontrées ont été : - A - B - C Mais grâce à ce projet nous avons aussi appris à : - A être autonome, - Travailler en équipe, - A comprendre les bases, en ce qui concerne les réseaux mobiles.

4 2. Introduction : Pendant une cinquantaine d années, notre poste téléphonique n a guère changé. Mais depuis l arrivée du téléphone mobile tout s accélère : les ventes, les débits et l apparition des nouvelles normes. Au-delà de la transmission de la voix, déjà très correctement assurée, l enjeu réside dans la transmission des données (affichage des pages web, connexion des ordinateurs et PDA) ainsi que dans la transmission de la vidéo (visiophonie). Il en résulte une course aux débits et, donc, aux nouvelles normes et technologies. 3. Principe général : Le fonctionnement d un réseau cellulaire en général est très simple. Le territoire est quadrillé en plusieurs zones, appelé les cellules, d une superficie allant de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres. Pour chaque cellule, il y a un émetteur de faible puissance. Lorsque l usager se déplace, la communication est directement transférée à la cellule de la zone dans laquelle il se dirige, cette opération s appelle handover. Le handover, appelé en français, le transfert automatique intercellulaire, est un des mécanismes les plus utilisé dans la communication cellulaire. Pour résumer le procédé de ce mécanisme, quand le signal entre l émetteur et le téléphone s affaiblit, le téléphone cherche une autre station de base disponible dans une autre cellule afin d assurer à nouveau la communication dans les meilleurs conditions. Les réseaux de BTS (Base Transceiver Station) sont mis en place par les opérateurs, en France, les trois plus grands sont Orange (anciennement France Telecom), SFR et Bouygues Telecom. Les fonctions d un opérateur sont : - La mise en place du réseau, installation des infrastructures découpant le territoire en cellule, - La gestion permanente des liaisons entre les usagers et les émetteurs, ainsi que le handover si nécessaire, - La gestion des abonnements, pour savoir qui a le droit de se connecter au réseau ou non, et la facturation, d après un abonnement. 4. Historique : 1982 : Mise en place du premier réseau téléphone sans fil analogique appelé 1G (génération) ou encore Radiocom 2000.

5 1992 : Mise en place du réseau de deuxième génération (2G) et par la même occasion la commercialisation des téléphones GSM. C est aussi le début des services de SMS (Shortly Message Service) et de MMS (Multimedia Message Service) : Mise en place du GPRS (General Packet Radio System), aussi appelé 2.5G. Ce réseau permet d augmenter le débit donc il est ainsi possible d envoyer plus de donné dans les SMS et MMS. : Apparition du réseau EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution), ou 2.75G. Encore de meilleur débit, c est donc l apparition d internet sur mobile : Déploiement de la norme UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) ou 3G. Permet le transfert de données numériques à haut débit : Commercialisation du HSDPA (High-Speed Donwlink Packet Access) ou 3G+ (norme 3.5G). Evolution logicielle de la 3G, améliore de dix fois les performances de la 3G. Dans les années à venir, la génération 4 (4G) sera déployée à grande échelle. Déjà en test au Etats-Unis, dans les plus grandes villes. En France, elle ne sera pas mise en place avant fin 2011, début Même si l'information est à prendre avec des pincettes, Nokia Siemens Networks assure que le passage au LTE (Long Term Evolution) se fera par une simple mise à jour logicielle de l'existant. 4. Les premiers réseaux : 1. Radiocom 2000 : Le premier réseau de téléphone mobile à voir le jour en France est le réseau Radiocom Il fait partie de la catégorie des mobiles de première génération (1G). Il fonctionne sous la bande de fréquence de 400MHz, la technologie utilisé pour la signalisation est numérique et pour la voix, la modulation analogique. Les fréquences sont attribuées dynamiquement en fonction des besoins. C est avec Radiocom 2000 qu apparaît les premières notions de téléphones cellulaires. Peu après son lancement en 1986, le réseau est amélioré grâce au handover et l attribution de fréquences au sein d une cellule. Le réseau couvre la quasi-totalité du territoire et est déployé par France Telecom Mobiles. En 1988, le réseau compte abonnés et plus de 90% des téléphones sont installés à bord de véhicules. C est aussi, cette année-là que la concurrence commence à apparaitre avec la naissance de SFR (Société Française de Radiotéléphones), alliant la Compagnie générale des eaux, le Crédit Lyonnais et encore quelques petites entreprises. 2. GSM :

6 Le GSM (Global System For Mobile) est une norme de deuxième génération pour les réseaux de téléphones mobiles. Elle fut établie en 1982 par la Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications (CEPT). C est l ETSI (European Telecommunications Standars Institute), qui la créé sur la gamme de fréquence des 900MHz.Mais il en existe plusieurs variantes, la DCS (Digital Communication System) sur la gamme des 1800MHz, utilisée en Europe, Afrique, Moyen-Orient et en Asie. Ensuite deux autres variantes, en 850MHz et en 1900MHz, appelé PCS (Personal Communications Service). Les types de réseau en France sont le GSM 900 ( MHz pour l envoie et MHz pour la réception) et le GSM 1800 ( MHz pour l'envoi et la bande MHz pour la réception) Les données qui transite sur le réseau est crypté par les algorithmes de chiffrement A5/1 et A5/2. Certain appareils fonctionnent sur le GSM 900 et GSM 1800, ils sont appelés GSM dual band. Le GSM utilise deux bandes de fréquences, l une pour la voie montante, l autre pour la voie descendante et un time slot (TS) pour la signalisation. La puissance du signal est modulée par rapport à la distance entre l antenne et le GSM. La bande MHz est utilisée pour la voie montante, tandis que la bande MHz est utilisée pour la voie descendante. Chacune de ces bandes comprend 124 canaux (porteuses) de 200kHz chacune. Le réseau GSM permet plusieurs services, en plus de la voix, qu il n existait pas avant : - Le transfert de données via le WAP (Wireless Aipplication Protocol), protocole qui permet d accéder à internet via un appareil mobile, - Les transferts de messages texte, appelé plus couramment les SMS (Shortly Message Service), ainsi que les MMS (Multimédia Messaging Services), - Le Cell Broadcast, qui permet d envoyer le même sms à tous les abonnés à l intérieur d une zone géographique, - Les services tels que le renvoi d appels, présentation du numéro, etc - Et les services dit, à valeur ajoutée, telle que la météo, l horoscope ou encore consultation de son compte bancaire. En France, il existe trois opérateurs qui ont un réseau GSM : - Orange France, via Orange, filiale de France Télécom, le premier opérateur français. En 2006, déjà 22.5millions d abonnés. - SFR, opérateur privé de téléphonie mobile appartenant à Vivendi Universal et à Vodafone. - Bouygues Telecom, filiale du groupe Bouygues, propriétaire notamment de la chaine de télévision TF1. 5. Les réseaux actuels : 1. GPRS :

7 Actuellement les majorités les téléphones cellulaires utilisent les réseaux allant de la 2.5G à la 3.75G la 2.5G ou GPRS (Global Packet Radio Service) c'est une évolution de la technologie GSM, cette technologie permet des transferts de données par paquet, permettant notamment l'envoie de données numériques de volume modéré Le GPRS utilise la norme CMDA pour les communications. Cette technologie utilise les fréquences allants de: La modulation utilisée en GPRS: GMSK Le codage utilisé en GPRS est un codage CS Dans une communication GPRS le nombre de Time Slot est fixé entre un minimum de 2 et 8 par canal en fonction de la disponibilité de la BTS. Le débit de chaque time slot dépend du type de codage utilisé (coding scheme) influant sur la qualité de transition CS1 = 9,05 kbit/s (équivalent du GSM «voix») CS2 = 13,4 Kbit/s CS3 = 15,6 Kbit/s CS4 = 21,4 kbit/s (cas optimal du mobile à l'arrêt, au pied de l'antenne et seul dans le secteur couvert par l'antenne). Le débit théorique maximal en utilisant les 8 Time Slot = 171,2 kbit/s en utilisant le CS4, mais en pratique il est de 50 kbit/s Le débit moyen est de 17.9 kbit/s En outre, Le GPRS permet de fournir une connectivité IP à une MS (téléphone d'un abonné), mais les ressources radio sont allouées uniquement quand les données doivent être transféré, permettant une économie des ressources radios ce qui permet d'avoir un accès bon marché pour les utilisateurs et une économie de ressources radio pour les opérateurs. Une connexion GPRS se déroule comme suis : MS vers BTS vers BSC vers SGSN vers Backbone GPRS (IP) vers GGSN vers INTERNET En conclusion, suite à de multiples protocoles, une connexion TCP/IP peut être établie entre le MS et un serveur distant. 2. EDGE : La 2.75G ou EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) est une évolution de la technologie GPRS, elle permet des débits 4 fois supérieurs au GPRS. L'EDGE est vue comme une alternative aux réseaux 3 G permettant de bons débits, et évitant de déployer un nouveau réseau coûteux. L'EDGE utilise toujours la norme CMDA pour la communication.

8 La technologie EDGE utilise les fréquences de 890 à 915 Mhz en émission et 935 à 960 en réception soit 25 Mhz alloué en portions de 200 KHz chacune divisé eux même en 8 time slot que qui donne 1000 utilisateurs par BTS. Les modulations utilisées en EDGE sont: GMSK et 8-PSK. Le codage en EDGE et un codage MCS. Voici les débits en fonction des codages: MCS-1 modulation GMSK 8.8 Kbit/s/slot MCS-2 modulation GMSK 11.2kbit/s/slot MCS-3 modulation GMSK 14.8kbit/s/slot MCS-4 modulation GMSK 17.6kbit/s/slot MCS-5 modulation 8-PSK 22.4kbit/s/slot MCS-6 modulation 8-PSK 29.6kbit/s/slot MCS-7 modulation 8-PSK 44.8kbit/s/slot MCS-8 modulation 8-PSK 54.4kbit/s/slot MCS-9 modulation 8-PSK 59.2kbit/s/slot Le débit théorique maximal en utilisant les 8 Time Slot = 473,6 kbit/s. Cependant le débit maximal fixé par l'itu est de 384 kbit/s. L'EDGE permet également une adaptation automatique de la modulation et du codage permettant une plus grande fluidité des réseaux. 3. UMTS : La 3G ou UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) est la technologie de téléphonie mobile de troisième génération permettant le transfert simultané de la voix, et des données et demandant le déploiement d'un nouveau réseau coûteux mais permettant de très bons débits. L'UMTS utilise la norme W-CDMA pour les communications. La technologie UMTS utilise la bande de fréquence de 1900 et 2200 MHz. La modulation utilisée en UMTS est QPSK. L'UMTS utilise un codage OVSF L'UMTS permet d atteindre En théorie, il peut atteindre 2 Mb/s à partir d un lieu fixe et 384 Kb/s en mouvement. Le maximum en Europe a été fixé à 384 kb/s (kilobits par seconde) : soit 64 à 128 kb/s en émission et 128 à 384 kb/s en réception, même en mouvement (train, voiture). Ce "haut débit" mobile n est pas si éloigné des vitesses de transmission proposées dans le cadre des premières offres d accès à l'internet par l ADSL ou le câble. 4. HSDPA : La 3,5G ou HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) est l'évolution de l'umts permettant des débits 10 fois supérieurs. Cette évolution concerne surtout le débit descendant. Le HSDPA reprend la norme W-CDMA pour les communications.

9 Le débit théorique en HSDPA est de 14.4 Mbit/s. Et de 3.6Mbit/s avec la release 5 et 7.2Mbit/s avec la release 6. La technologie HSDPA utilise la bande de fréquence de La modulation utilisée en HSDPA est QPSK et 16QAM L'HSDPA possède également L AMC qui est l'adaptation dynamique du schéma de codage (et donc du débit) en fonction des conditions radio. Le mobile remonte le CQI au node B qui réajuste le schéma de codage toutes les 2 ms : choix d un codage plus ou moins protecteur avec plus ou moins de redondance. 6. Les réseaux futurs : 1. LTE : Le LTE (Long Term Evolution) ou 3.9G est l évolution la plus récente parmi les normes de téléphonie mobile. La norme LTE est une amélioration de la norme UMTS, parmi les modifications les plus importantes, il y a : - Un débit descendant allant jusqu à 326.4Mb/s, - Un débit montant allant jusqu à 86.4Mb/s, - Taux de transfert de données au bord de la cellule de 2 à 3 fois l UMTS, - L efficacité spectrale (nombre de bits transmis par seconde et par hertz du transporteur), qui est 3 fois plus élevée que la version la plus évolué de l UMTS, - Le RTT (Round Trip Time, le temps que met un signal pour parcourir l ensemble d un circuit fermé), de moins de 10ms, contre 180ms pour l UMTS, - L utilisation minimum de 1.25Mhz et un maximum de bande passante de 20Mhz pour chaque utilisateur une plus grande souplesse, - Utilisation de la modulation OFDM pour la liaison descendante et SC- FDMA pour la montante, - Excellent support en mouvement, de hautes performances jusqu à 500Km/h. L inconvénient du réseau LTE c est qu il nécessite une couverture radio dédiée, il n utilise pas le réseau UMTS. Dans les zones rurales, la bande de fréquence utilisée sera de 800MHz ou 900MHz. Le rayon de couverture de chaque cellule est variable, allant de 5km (débit optimaux) jusqu à 100km (débits acceptables). Dans l union européenne, il y a toujours des discussions à propos de la bande de fréquence qui sera utilisé car la 800MHz est utilisé pour la télévision UHF Mais ces canaux seront disponible en 2012, car tous les pays membres de l Europe passe au numérique. Et pour la bande 900MHz, il faudra effectuer un réaménagement du spectre car certains canaux sont encore utilisés par le GSM.

10 Pour les villes et zones urbaines, les bandes de fréquences utilisées seront de 2.6 GHz au sein de l UE). Dans cette configuration, la couverture de cellule sera de 1Km ou plus. Le but du LTE est de promouvoir l utilisation de haut-débit mobile. Aujourd hui, de nombreux opérateurs utilisant la norme CDMA2000 envisagent de passer à la norme LTE dès que les équipements seront disponibles. 2. LTE-A : La 4G ou LTE-A (Long Term Evolution advanced) est l évolution de la technologie LTE, qui va permettre en outre : Des débits plus élevés sur les liens montants ou descendants du réseau, grâce à l agrégation de porteuses. Des performances radios accrues au niveau d'une cellule pour servir plus de terminaux, grâce aux évolutions de la technologie MIMO La possibilité de déployer des relais radio à coût faible qui viendront étendre la couverture d'une cellule. Un meilleur passage à l'échelle en termes de capacité de trafic supporté par le réseau. La LTE-A devra être capable de fournir des débits de 1 Gbps à l'arrêt et de 100 Mbps en mouvement grâce à des technologies réseau intelligentes qui permettront de maintenir les débits en tout point de la cellule. 3. 5G : La 5G technologie qui serra une évolution de la 4G permettant encore plus d'utilisateur simultané dans la même cellule pour toujours de meilleur débit (sûrement supérieur à 1 Gbit/s). 7. Conclusion : Nous pouvons constater que en 20 ans, nous sommes passé d'un simple échange de voix depuis un téléphone portable, puis nous avons pus échanger des images, faire des appels en visioconférence, aller sur internet que va nous réserver l'avenir? La téléphonie mobile ne serra alors plus qu'un simple échange de voix, mais deviendra t-il un outil indispensable pour communiquer n importe où, n'importe quand?