Introduction aux réseaux cellulaires. Techniques d accès et de partage de la ressource radio

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1 Introduction aux réseaux cellulaires Techniques d accès et de partage de la ressource radio Systèmes de Télécommunication Cycle d harmonisation 2A AST TEL-COM /2012 Septembre 2011 Georges Rodriguez Dépt. COMELEC Pièce A311 ( : * : TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 1

2 Technologies, systèmes et services «Cordless» Radio cellulaire Réseaux larges «Wireless» Réseaux locaux «Paging»/messages Boucle Locale Radio Satellite TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 2

3 Les systèmes de communication sans fil Caractéristique fondamentale Offrir des services de télécommunications indépendants : Position Temps Mobilité TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 3

4 Les objectifs du cours ü Comprendre les technologies ü Saisir les aspects socio-économiques du «wireless» ü Comprendre les techniques d accès multiple ü Connaître les principaux systèmes TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 4

5 Plan Introduction le RTC; Le duplex téléphonique; Capacité d un réseau radio; L accès multiple; La technologie radio; TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 5

6 Plan Introduction le RTC; Le duplex téléphonique; Capacité d un réseau radio; L accès multiple; La technologie radio; TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 6

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8 Le Réseau Téléphonique Commuté (suite) Utilisateur B Utilisateur A Utilisateur C Utilisateur D TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 8

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10 Mode «circuit» - mode «paquet» ü Dans le RTC, le switch créé un «circuit» de communication ü Ce circuit s appelle la «boucle de l abonné» ü Cette boucle est constituée de plusieurs segments qui sont concaténés par les commutateurs. Il existe une autre façon d adresser un message! Le mode «paquet» TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 10

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12 Les caractéristiques du RTC (suite) ü Adressage à Implicite à l existence de la boucle locale ü Identité à Base de données dynamique ü Bidirectionnalité à superposition des deux signaux sur le même support de transmission ü Types de services à Limités par les caractéristiques de la paire torsadée Comment résoudre ces problèmes dans le cas du «wireless»? TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 12

13 Les caractéristiques du radio-mobile Dans le cas du «wireless» : 1. Le canal matériel n existe pas! 2. L utilisateur n appartient pas nécessairement au réseau de l opérateur! 3. La superposition ne garantie pas la bidirectionnalité! 4. Les propriétés du canal varient dans le temps! 5. L utilisateur du réseau bouge!! TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 13

14 Plan Introduction le RTC; Le duplex téléphonique; Capacité d un réseau radio; L accès multiple; La technologie radio; TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 14

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16 Le duplex pour le <<sans-fil>> FDD (Frequency Division Duplex) Duplex Sans Fil TDD (Time Division Duplex) TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 16

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19 Plan Introduction le RTC; Le duplex téléphonique; Capacité d un réseau radio; L accès multiple; La technologie radio; TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 19

20 Définition de la capacité d un réseau Déf. de capacité : Nombre d abonnés qui peuvent communiquer de façon simultanée sur le réseau téléphonique C est le point de vue de l opérateur du réseau! TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 20

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30 L interférence co-canal P r (d) P r (d) TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 30

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36 Le principe cellulaire (acte VI Le «colourid» des cellules) TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 36

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41 Plan Introduction le RTC; Le duplex téléphonique; Capacité d un réseau radio; L accès multiple; La technologie radio; TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 41

42 L accès multiple Motivation : Parole 10-60% du temps en activité vocale!! Conséquence : La ressource canal est très MAL exploitée!! Solution : Partage de la ressource (accès) TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 42

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44 Les techniques d accès multiple (suite) Réglementé Accès Multiple Il existe une règle d accès qu il faut respecter. Le non respect de la règle implique l interdiction d accès à la ressource canal. Aléatoire Il n existe aucune une règle d accès. Il y a des collisions. Le protocole d accès est une règle pour gérer les collisions TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 44

45 L accès multiple réglementé Fixe La règle est toujours la même,indépendamment que la ressource soit utilisée ou non. Accès Multiple Réglementé Ex : TDMA, FDMA Sur demande La règle est toujours le même mais elle n est pas disponible tout le temps. Il faut la solliciter si j ai un message à transmettre. Ex : Polling ou jeton TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 45

46 L accès multiple aléatoire Répété En cas de collision, la requête de communication se répète. Accès Multiple Aléatoire Ex : p-aloha, s-aloha Réservé En cas de collision, la requête est inscrite dans une liste de réservation Ex : réservation implicite ou explicite TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 46

47 Propriétés d un protocole d accès multiple ü Il doit contrôler l allocation de la capacité du canal aux différents utilisateurs ; ü Il doit utiliser la ressource canal de façon efficace : Notions de «throughput» et retard ; ü Il doit gérer l allocation de la ressource de façon équilibrée entre les utilisateurs ; ü Il doit être flexible en autorisant des types de trafic différents ; ü Il doit être stable, à partir d un état d équilibre, toute augmentation du trafic doit conduire le système à un nouvel état d équilibre ; ü Il doit être robuste vis-à-vis d une panne des équipements ; TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 47

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53 Les protocoles ALOHA Protocoles Aloha Accès Multiple Aléatoire dans les réseaux d ordinateurs Proposé par l Université de Hawai en 1970 Accès : Les utilisateurs accèdent au canal chaque fois qu ils ont des données à transmettre Problème à Il y a des Collisions!! TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 53

54 Le p-aloha Le protocole p-aloha est extrèmement simple! En supposant que tous les paquets ont exactement la même durée, p-aloha est constitué des modes suivants : Mode «Transmission» à Les utilisateurs émettent quand ils le souhaitent en protégeant leurs informations par un code détecteur d erreurs. Mode «Écoute» à Après Tx les utilisateurs attendent un acquittement (ACK) du récepteur. S il y a eu collision, le RTx détecte des erreurs et émet un non-acquittement (NAK) Mode «Retransmission» à Comme suite a un NAK, les utilisateurs retransmettent leurs messages en attendant un temps aléatoire. Mode «Timeout» à Après un certain temps si aucun ACK ou NAK est reçu, alors les utilisateurs retransmettent leurs messages TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 54

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58 Le s-aloha (Slotted ALOHA) Le Protocole p-aloha peut être amélioré en rajoutant un minimum de coordination entre les utilisateurs! Comment? Une séquence de marques de synchro est systématiquement diffusée vers tous les utilisateurs. Un utilisateur peut envoyer ses paquets d information seulement pendant la durée d un «slot»; la transmission peut démarrer seulement au début d un «slot». TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 58

59 Le s-aloha (suite) En supposant que tous les paquets ont exactement la même durée, s-aloha est constitué des modes suivants : Mode «Transmission» à Les utilisateurs émettent en protégeant leurs informations par un code détecteur d erreurs à partir de «tops» de synchro (début d un «slot»).. Mode «Écoute» à Après Tx les utilisateurs attendent un acquittement (ACK) du récepteur. S il y a eu collision, le RTx détecte des erreurs et émet un non-acquittement (NAK) Mode «Retransmission» à Comme suite a un NAK, les utilisateurs retransmettent leurs messages en attendant un temps aléatoire multiple entier de la durée d un «slot». Mode «Timeout» à Après un certain temps si aucun ACK ou NAK est reçu, alors les utilisateurs retransmettent leurs messages selon 1. TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 59

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63 Le CDMA Quelques questions Qu est ce qu on alloue? Comment séparer les utilisateurs entre eux? Un code (mot de passe) Codes orthogonaux TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 63

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71 Le CDMA Approche cellulaire TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 71

72 Le CDMA Approche cellulaire (suite) TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 72

73 Plan Introduction le RTC; Le duplex téléphonique; Capacité d un réseau radio; L accès multiple; La technologie radio; TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 73

74 Les problèmes issus de la radio Le retard de propagation Les problèmes de la radio Le contrôle de puissance Le canal public Les effets secondaires TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 74

75 Le retard de propagation Problème : synchro au niveau de la station de base! D d Tp = d/c Ex: d = 150 m Tp = 500 ns D = 30 km Tp = 100 µs! Solution : gestion du «timing advance» TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 75

76 TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 76

77 Le canal public Solution : CHIFFREMENT! TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 77

78 Exemple : le chiffrement du A3 Authentication Alg. Signed RESponse (SRES) Trois Algorithmes De Chiffrement A8 Privacy Key Generation Alg. (Kc) A5/x Encription Alg. TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 78

79 TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 79

80 Les effets secondaires Le «bursting de puissance Les effets biologiques Les effets «secondaires» Les interférences radio Les interférences basse fréquence Les «nouvelles technologies» La radio et l environnement TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 80

81 Images de BTS TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 81

82 L image du jour (trouver l erreur) TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 82

83 L image du jour (suite) TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 83

84 TEL-COM202 - Réseaux Cellulaires Page 84

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