INRODUCTION A LA TELEPHONIE MOBILE -

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1 INRODUCTION A LA TELEPHONIE MOBILE - Exposé présent senté dans le cadre d une d formation de «Techniciens Support TélécomT» - Formation Techniciens "SupportTélécom"

2 Introduction L exposé qui suit est présenté dans le cadre d une formation de techniciens «support télécom». La durée consacrée à la téléphonie mobile est de 8 heures. Un des objectifs de cette formation est de décrire le principe de fonctionnement des réseaux de téléphonie mobile, et plus particulièrement, du réseau GSM. Les aspects liés à la transmission radio entre la station de base et le téléphone portable seront développés. L évolution vers les réseaux «2.5 G» et «3 G» seront également abordées. Formation Techniciens "SupportTélécom"

3 Sommaire 1. Les réseaux GSM, DCS 1800, GSM R et TETRA Structure cellulaire Multiplexage temporel (TDMA) Saut de fréquence et techniques de diversité Canaux de contrôle et canaux de trafic Le «handover» Contrôle automatique de la puissance émise Effet des trajets multiples «Timing advance» La planification des fréquences Les exigence de couvertures radio Les faisceaux hertziens 2. Les évolutions de la norme GSM (HSCSD, GPRS et EDGE) 3. Les catégories de systèmes de communication mobile «Code division multiple access» Formation Techniciens "SupportTélécom"

4 Réseaux GSM, DCS 1800, GSM R et TETRA GSM (ou GSM 900) : à l origine, autour de 900 MHz DCS 1800 (également appelé GSM 1800) : identique au GSM, mais utilise fréquences autour de MHz. Est surtout utilisé dans les zones denses ou la bande 900 MHz est insuffisante. Était également appelé PCN. DCS 1900 (ou PCN 1900): identique au GSM, mais utilisé aux USA. GSM R: «GSM Railway». Identique au GSM, mais dédié uniquement aux chemins de fer. Quelques fonctions complémentaires. TETRA: principe assez semblable aux GSM, mais fonctionne à d autre fréquences (400 MHz et même parfois 800 MHz). Surtout pour les services de secours (réseaux ASTRID en Belgique) ou des réseaux professionnels. Formation Techniciens "SupportTélécom"

5 Structure cellulaire Le rayon des cellules dépend : des conditions de propagation (relief, bâtiments, végétation) densité de trafic En zone urbaine quelques centaines de mètres En zone peu peuplée quelques kilomètres. La fig. ci-contre ne comporte que des antennes omnidirectionnelles Elles ne sont plus guère utilisées actuellement. La sectorisation, réalisée avec 3 antennes directives (parfois 2 ou 4) offre plus d avantages B A C Formation Techniciens "SupportTélécom"

6 Les cellules (1) Différents types de cellules existent: macrocells : les plus courantes. Rayon varie de quelques centaines de mètres (en zones urbaines) à quelques km (en zones rurales microcells : Pour couvrir zones où il y a beaucoup de monde. Galeries commerciales, gares, stations de métro, zones piétonnes, Rayon de quelques dizaines de mètres picocells : Pour couvrir intérieur de bâtiments Formation Techniciens "SupportTélécom"

7 Les cellules (2) Umbrellacells : Pour couvrir une très grande zone. Elle se superpose à plusieurs macro et éventuellement microcells. Elles réalisent la couverture où il y a peu d abonnés. Un portable qui se déplace rapidement (à bord d une voiture ou d un train) pourra également être attribué à une umbrellacell de manière à éviter les handovers fréquents. M a cro o u m ic ro ce lls U m brella c ell Formation Techniciens "SupportTélécom"

8 Architecture du réseau GSM BTS (Base Tranceiver System) : antennes + équipements électroniques (amplificateurs, alimentations, ) BSC (Base Station Controlers) : contrôle plusieurs BTS MSC (Mobile Swithching Center) - commutateur qui constitue le nœud central du réseau - connecté au réseau fixe BSC et autres réseaux GSM - équipements informatiques qui gèrent transfert des données - permet de localiser un téléphone mobile MSC BSC Réseau fixe BSC une communication entre deux GSM ne s effectue jamais en «ligne directe», mais remonte jusqu à BTS, BSC et MSC. BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS d1 Formation Techniciens "SupportTélécom"

9 Numérisation de la voix Transmission numérique Microphone Filtre A D Codeur Modulateur Haut- parleur Filtre A D Décodeur Démodulateur Codeur : élimine des données redondantes de manière à réduire le débit ajoute des codes permettant détection et correction d erreurs d2 Formation Techniciens "SupportTélécom"

10 Ondes radio Fréquences GSM (1) Transmission entre GSM et BTS utilise une onde radio comprend un champ électrique et un champ magnétique varient sinusoïdalement dans l'espace et le temps Formation Techniciens "SupportTélécom"

11 Ondes radio Fréquences GSM (2) longueur d onde λ : distance (m) minimale entre deux points vibrant en phase fréquence f : nombre de cycles par seconde (Hertz) sont liés par λ = c.t où T est la période (en s) => λ= c/f avec c = 3 x 10 8 m/s (vit. lumière) Formation Techniciens "SupportTélécom"

12 Fréquences du GSM R, GSM 900, DCS 1800 et UMTS Normes Voies Fréquences GSM R Montante Descendante GSM900 Montante Descendante DCS1800 Montante Descendante UMTS (FDD) Montante Descendante Formation Techniciens "SupportTélécom"

13 GSM : Multiplexage temporel (1) TDMA: «Time division multiple access» GSM, DCS1800 et GSM R: même principe Une porteuse est divisée en 8 time slots 1 time slot par communication 8 communications/porteuse 1 time slot d une porteuse constitue un canal 2 types de canaux: - Canaux de contrôle (contrôlent Les portables) - Canaux de trafic TCH (traffic Channels). Un canal de contrôle important est le BCCH (Broadcast Control Channel) Il y en a 1 par cellule Formation Techniciens "SupportTélécom"

14 GSM : Multiplexage temporel (2) Un portable proche de la BTS commence à émettre 3 time slots après le début de la réception (voir timing advance pour plus de détails). Formation Techniciens "SupportTélécom"

15 GSM : Multiplexage temporel (3) l information est échantillonnée pendant 4,615 ms elle est transmise pendant un «time slot» de 577 µs elle est «restituée» sur 4,615 ms. Ce phénomène n'est pas perceptible pour l'utilisateur. Formation Techniciens "SupportTélécom"

16 Structure d un «time slot» Un «time slot» comprend un train de 148 bit (burst) d'une durée de 3,7 µs/bit 547,6 µs Il comporte : - 2 fois 58 bit pour voix numérisée ou données - 2 fois 3 bit de synchronisation en début et fin - 1 séquence de 26 bit fixes (connus du téléphone mobile et de la BTS) - une interruption de la transmission (Guard period) de 29,4 µs pour séparer 2 time slots successifs.. Time slot : 577 µs Train de 148 bits s s ,6 µs D2 Guard period: 29,4 µs Formation Techniciens "SupportTélécom"

17 GSM : Saut de fréquence («frequency hopping») Principe : changement de la fréquence de transmission à chaque time slot f f 2 f Avantages : qualité moyenne de la transmission est améliorée La qualité d une liaison radio (mesurée par le taux d erreurs) peut varier avec la fréquence de la porteuse. Par exemple, il se pourrait que la réception sur f3 soit de moins bonne qualité que sur f1 et f2 si une autre BTS proche utilise la fréquence f3 ou si ondes stationnaires (ventres et nœuds) dues aux réflexions sur sol et bâtiments Objectif : les algorithmes de détection et de correction d erreurs sont performants lorsque le taux d erreurs reste faible Le saut de fréquence est utilisé, à la fois, pour les voies montante et descendante En pratique, sauts sur au moins 3 ou 4 fréquences (20 sur certains réseaux). Pas de saut de fréquence de la porteuse qui transmet le BCCH d1 Formation Techniciens "SupportTélécom"

18 Les réflexions sur le sol, les bâtiments, conduisent à des trajets multiples. Intérêt du saut de fréquence En certains points, les signaux correspondant à ces différents trajets sont en phase. En d autres points, ils sont en opposition => un signal résultant très faible (phénomène de «fading»). Formation Techniciens "SupportTélécom"

19 Les techniques de diversité Objectif : remédier aux fluctuations de l intensité du signal capté Diverses méthodes existent en radiocommunications (antennes, polarisation, champ E et champ H, fréquences) Diversité d'antennes («Space diversity») - consiste à capter les émissions des téléphones mobiles au moyen de 2 antennes par cellule - la BTS sélectionne le signal le plus élevé - condition à satisfaire: distance entre 2 antennes > λ - nécessite 2 antennes par secteur => si 3 secteurs 6 antennes Diversité de polarisations - antenne de réception sensible à deux directions de polarisation orthogonales entre elles - l antenne comporte de 2 réseaux de dipôles entre eux 1 orienté à - 45 par rapport à la verticale 1 orienté à + 45 par rapport à la verticale Diversités d'antennes et de polarisations peuvent également être combinées Ne s utilisent qu au niveau des BTS (pas des portables) Le saut de fréquence est une forme de diversité de fréquence. Formation Techniciens "SupportTélécom"

20 Les canaux de contrôles et canaux de trafic Chaque antenne-relais transmet un canal de contrôle (BCCH = broadcast control channel). C est 1 time slot d'une porteuse qui diffuse en permanence : le code d'identification de l'opérateur le numéro de la cellule (permet aux GSM de se localiser) le numéro des téléphones mobiles que le réseau est en train d'appeler A la mise sous tension d un GSM : il scrute les différents canaux dans les bandes GSM il détermine ceux qui sont des BCCH détermine le BCCH le «mieux capté» (en principe la BTS la plus proche) signale au réseau qu il se trouve dans la cellule correspondant à ce BCCH ce numéro de cellule est mémorisé par le MSC Les autres canaux (time slot) sont appelés «canaux de trafic» (TCH pour «traffic channel»). Ils sont utilisés pour transmission voix et données Formation Techniciens "SupportTélécom"

21 Le «Handover» s il y a une détérioration de la réception du BCCH de la station de base avec laquelle le GSM est en communication, écoute du BCCH des cellules voisines si le signal d une cellule voisine est de meilleure qualité, transfert vers cette cellule (handover) et mise à jour du MSC Formation Techniciens "SupportTélécom"

22 Puissance émise par un téléphone portable (1) La puissance émise est normalisée Différentes classes de portables existent Pour GSM classe 4 est la plus courante. - P crête varie de quelques mw à 2 W selon conditions de transmission. Si GSM est proche de la BTS, une puissance << 2 W sera suffisante. Ce mécanisme est appelé «contrôle automatique de la puissance» ou «power control». - P moyenne = 0,25 W lorsque P crête = 2 W Pour GSM 1800: P crête maximale = 1 W Formation Techniciens "SupportTélécom"

23 Puissance émise par un téléphone portable (2) Fonction «Discontinuous transmission»: Pour réduire consommation du GSM, arrêt transmission pendant les périodes de silence - A l autre extrémité de la liaison, ajout d un bruit «artificiel» (comfort noise). Formation Techniciens "SupportTélécom"

24 Puissance émise par une station de base Exemple Chaque couleur correspond à un opérateur différent La puissance de la porteuse qui transmet le BCCH est constante. La puissance des porteuses qui ne transmettent que des TCH varie (Power control et Discontinuous transmission) La puissance maximale de ces porteuses est, en principe, égale à la puissance de la porteuse qui transmet le BCCH En mesurant le champ à la fréq. du BCCH, le champ maximum total dû à l antenne (NP porteuses) est donné par Formation Techniciens "SupportTélécom"

25 Effet des trajets multiples (1) La transmission s effectue généralement via plusieurs trajets, càd trajet direct + ondes réfléchies (sols, bâtiments, ) + ondes diffractées d3 Formation Techniciens "SupportTélécom"

26 Effet des trajets multiples (2) La transmission s effectue à la vitesse de la lumière, càd km/s 1 km correspond à un retard de 3,3 µs Durée 1 bit = 3,7 µs pour une différence de longueur de trajet d environ 1 km, il y aura superposition du bit n N et de l écho du bit n N 1 interférences entre bit successifs (intersymbol interferences) onde directe onde réfléchie t t d4 mécanisme de correction (égalisation) est nécessaire Formation Techniciens "SupportTélécom"

27 Effet des trajets multiples (3) Mécanisme de correction réalisée par un égaliseur adaptatif («adaptative equalisation»). Il utilise la série de 26 bit du «midamble». Time slot : 577 µs Train de 148 bits s s ,6 µs D2 Guard period: 29,4 µs Formation Techniciens "SupportTélécom"

28 «Timing advance» Supposons (v. fig.) que P1 est proche de la BTS et que P3 est à 5 km => trajet allerretour = 10 km, càd 33,3 µs. Si P3 répond dans un délais constant après réception, le burst va arriver trop tard et empiétera sur le time slot T4. Pour éviter ce phénomène, P3 émettra son burst en avance de telle manière qu il arrive à la BTS dans le créneau temporel qui lui est attribué. La BTS commande l «avance» de chaque portable via un canal de contrôle. Réception du burst émis par P3 T3 T4 T5 Formation Techniciens "SupportTélécom"

29 La planification des fréquences (1) Principe général: Les interférences entre cellules voisines doivent être absolument évitées. La fig. ci-dessous correspond à un cas théorique très simple (antennes omnidirectionnelle). Une répartition sur 7 ensembles de fréquences permet d éviter qu une même fréquence ne soit allouée dans 2 cellules adjacentes. Chaque cellule utilise un ensemble de fréquences portant le même N que la cellule. Ce schéma s appelle «seven cells cluster». Formation Techniciens "SupportTélécom"

30 La planification des fréquences (2) La planification des fréquences est beaucoup plus compliquée en pratique car la taille des cellules varie, les antennes sont directives et les conditions de propagation (qui influencent la portée) différent selon la direction (présence d obstacles). B A C Formation Techniciens "SupportTélécom"

31 Les exigences de couverture radio (1) Les opérateurs utilisent, pour évaluer la qualité d une couverture, des critères qui correspondent à la possibilité d utiliser un GSM dans différentes conditions : à l extérieur, dans une voiture, à l intérieur d un bâtiment, etc. Ces critères sont repris dans le tableau et sont classés dans un ordre croissant de qualité. On signalera que la terminologie et les critères ne sont pas identiques pour tous les opérateurs. Critères «car kit» «outdoor» «in car» «first wall» «second wall» Commentaires Niveau le plus faible. Utilisation GSM possible avec un kit constitué d une antenne sur le toit du véhicule et d un préamplificateur Utilisation GSM possible à l extérieur des bâtiments Utilisation GSM est possible à l intérieur des véhicules Utilisation GSM possible à l intérieur d un bâtiment à condition que l onde n ait qu un seul mur à traverser Qualité la plus élevée. Utilisation GSM possible à l intérieur d un bâtiment même si l onde doit traverser deux murs Champ à l extérieur > - 94 dbm > 0,2 mv/m > - 88 dbm > 0,4 mv/m > - 83 dbm > 0,7 mv/m > - 75 dbm > 2 mv/m > - 68 dbm > 4 mv/m Formation Techniciens "SupportTélécom"

32 Les exigences de couverture radio (2) Une couverture excellente correspond à la possibilité d utiliser un GSM à l intérieur d un bâtiment même si l onde doit traverser deux murs. Dans l état actuel du déploiement des réseaux, une couverture où l utilisation d un GSM n est possible qu à l extérieur des bâtiments est médiocre puisque la possibilité d atteindre un abonné devient très aléatoire. La qualité d une couverture GSM est directement liée à l intensité du champ E.M. à l endroit considéré. En pratique, cette intensité est exprimée en dbm (décibel référencé au milliwatt). C est la puissance correspondant à une porteuse que délivre une antenne dipôle demi-onde terminée sur une résistance de 50 Ω. La 3e colonne du tableau fournit l intensité du champ E.M. qu il faut atteindre à l extérieur pour qu une communication, dans les conditions spécifiées, soit possible. Par exemple, pour pouvoir traverser deux murs, il faut qu à l extérieur, le champ soit supérieur ou égal à 68 dbm. De même, pour traverser un mur, un champ de -75 dbm est suffisant. La 3e colonne du tableau fournit également le niveau exprimé en V/m. Formation Techniciens "SupportTélécom"

33 Les faisceaux hertziens (1) Chaque BTS est reliée à un BSC par une liaison à 2 Mbits/s. C est un câble ou bien une liaison radio de type «point à point». 900 MHz antennes - relais C est liaisons sont réalisées au moyen d antennes paraboliques très directives (v. fig.) BTS Liaison 2 Mbits/ s BTS BSC vers MSC BTS D2 Formation Techniciens "SupportTélécom"

34 Les faisceaux hertziens (2) Plusieurs faisceaux peuvent être utilisés en cascade. Sur la fig., la BTS A est reliée au BSC via les BTS B et C. A C FH 900 MHz FH FH BSC BTS B BTS BTS D1 Formation Techniciens "SupportTélécom"

35 Les faisceaux hertziens (3) En Belgique, les faisceaux hertziens utilisés en téléphonie mobile fonctionnent généralement entre 15 et 40 GHz. L angle d ouverture (à 3 db) du faisceau est généralement compris entre 1 et 3. 1 à 3 O,5 S max S max 0,5 S max Antenne parabolique D1 Formation Techniciens "SupportTélécom"

36 Fréquences du GSM R, GSM 900, DCS 1800 et UMTS Normes Voies Fréquences GSM R Montante Descendante GSM900 Montante Descendante DCS1800 Montante Descendante UMTS (FDD) Montante Descendante Formation Techniciens "SupportTélécom"

37 La numérotation des canaux GSM La numérotation des canaux et standardisée. n = ARFCN = «absolute radio channel frequency number». UL = up link. DL = Down link. Pour la bande GSM d origine UL : DL : n varie entre 1 et 124 En MHz: Fréq UL (n) = ,2 x n et Fréq. DL (n) = Fréq UL (n) + 45 Pour la bande E-GSM UL : DL : n varie entre 974 et 1023 En MHz: Fréq UL (n) = ,2 x (n 1024) et Fréq. DL (n) = Fréq UL (n) + 45 Pour la bande DCS 1800 UL : DL : n varie entre 512 et 885 En MHz: Fréq UL (n) = ,2 x (n 511) et Fréq. DL (n) = Fréq UL (n) Formation Techniciens "SupportTélécom"

38 Les évolutions de la norme GSM: HSCSD, GPRS, EDGE (1) La norme GSM de base a été essentiellement conçue en vue de transmettre la voix => certains choix techniques qui limitent son utilisation pour la transmission de données ou la navigation sur Internet. Le standard GSM de base ne permet qu un débit de transmission de 9,6 kbit/s. Diverses évolutions ont pour but d étendre les possibilités à la transmission de données et navigation sur Internet. Les standards HSCSD, GPRS et EDGE ont été développés afin de permettre aux réseaux GSM existants de transmettre des données avec un débit proche de celui des systèmes de troisième génération (3G) tels que l'umts. Parfois appelés génération "deux et demi" (2.5G). Le HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) permet à l'utilisateur de bénéficier de plusieurs time slots pour augmenter le débit de transmission de 9.6 à 64 kbit/s.. Formation Techniciens "SupportTélécom"

39 Les évolutions de la norme GSM: HSCSD, GPRS, EDGE (2) Le GPRS (General Packet Radio Service) est un protocole de communication standard qui réalise la commutation par paquets à la place d'une commutation par ligne. Elle consiste à regrouper les données pour les envoyer ensemble à certains instants et ainsi libérer la ligne pour d'autres utilisateurs aux autres instants => meilleure utilisation de la capacité de la ligne. Ce protocole est utilisé pour les connexions à Internet. La combinaison des standards GPRS et HSCSD permet d'obtenir des débits de transmission de 115 à 177 kbit/s. EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) utilise une modulation à 8 états de phase => 3 bits par symbole transmis à 3 au lieu de 1 pour le GSM de base (v. dia suiv. pour QPSK) => multiplication par 3 du débit de transmission. La combinaison EDGE, GPRS et HSCSD permet un débit de transmission maximum de 384 kbit/s. L introduction de ces standards nécessite une modification partielle de l'électronique des stations de base. L utilisateur doit acquérir un portable compatible. Ces trois standards sont aujourd'hui déployés à peu près partout en Belgique. N.B.: Les cartes UMTS pour PC portables utilisent le GPRS quand l'umts n'est pas disponible. Formation Techniciens "SupportTélécom"

40 La modulation discrète QPSK La fig. ci-dessous représente le phaseur correspondant à la modulation QPSK. Phaseur modulation QPSK φ = 90 φ = 180 φ = 0 φ = 270 Formation Techniciens "SupportTélécom"

41 Catégories de systèmes de radiocommunication mobile (1) Ces catégories sont définies en fonction de la taille de la zone desservie. On considère généralement 5 catégories: WAN (wide area network) Réseau couvrant une très large zone (ex. GSM, GSM R, TETRA, UMTS, ) MAN (metropolitan area network) Réseau couvrant une grande ville (ex. WiMax, WiFi, ) LAN (local area network) Réseau couvrant une habitation ou un étage d'un immeuble de bureaux (ex. WiFi pour un particulier ou une entreprise) PAN (personal area network) Réseau de proximité d'un individu (PC, clavier, imprimante, souris ) (ex. Bluetooth) BAN (body area network) Réseau reliant des dispositifs installés sur le corp (oreillette, capteurs divers ) (ex. Bluetooth ou Zigbee) Formation Techniciens "SupportTélécom"

42 Catégories de systèmes de radiocommunication mobile (2) BAN PAN LAN MAN WAN 1 m 10 m 500 m 20 à 50 km Formation Techniciens "SupportTélécom"

43 Autorise un débit jusqu à 2 Mbits/s UMTS (1) Transmission données (accès à internet, ), images, ) Dans le cas des normes GSM et TETRA, la technique d accès multiple combine le «Frequency Division Multiple Access» (FDMA) et le «Time Division Multiple Access» (TDMA). Cela signifie que les canaux de communication se répartissent sur plusieurs fréquences qui sont «découpées» en «time slots». Il y a 8 time slots par fréquence. Un canal correspond au n ième time slot d une fréquence f. La technique d accès multiple utilisée pour l UMTS est le «Code Division Multiple Access» (CDMA). Toutes les stations de base (appelé «nodes B») d un même opérateur émettent sur la même fréquence. Il n a pas de «time slot». De même, tous les portables d un même réseau émettent sur la même fréquence. Comme le montre les dia suivantes, le principe du CDMA consiste à multiplier les bits à transmettre (data) par un code dont le débit («chip rate») est plus élevé. Pour l UMTS, le chip rate = 3,84 Mchips/s Les 2 dia suivantes décrivent le processus de codage («spreading») et de décodage («despreading»). Formation Techniciens "SupportTélécom"

44 UMTS (2) Formation Techniciens "SupportTélécom"

45 UMTS (3) Formation Techniciens "SupportTélécom"

46 UMTS (4) Dans la voie montante, le débit brut peut varier entre 15 kbits/s et 960 kbits/s A 960 kbits/s, chaque bits est multiplié par 4 chips pour atteindre le chip rate de 3,84 Mchips/s A 15 kbits/s, chaque bits est multiplié par 256 chips pour atteindre le chip rate de 3,84 Mchips/s Le débit brut maximum de 960 kbits/s par canal (c est-à-dire par code) peut être augmenté en allouant plusieurs canaux (codes) à une même utilisateur. L UMTS utilise une variante de la modulation QPSK. Formation Techniciens "SupportTélécom"

47 UMTS (5) Fréquences en Belgique PROXIMUS: MOBISTAR: BASE: MHz MHz 2132,6 MHz Attention: - parfois également UMTS dans la bande GSM 900 en zones rurale; - lorsque le nombre d abonnés le justifie, une ou plusieurs fréquences supplémentaires peut être utilisées. Formation Techniciens "SupportTélécom"

48 Articles fournis - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES RESEAUX DE TELEPHONIE MOBILE GSM - ir. Willy PIRARD - THE GSM RADIO INTERFACE, R.R.L HODGES, British Telecom Journal Vol 8 N 1 January 1990 Formation Techniciens "SupportTélécom"