Réseaux mobiles. UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 1

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1 Réseaux mobiles Nguyen Thi Mai Trang LIP6/PHARE UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 1 Plan Principes des réseaux cellulaires GSM (Global System for Mobile communications) GPRS (General Packet Radio Service) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 2

2 Les réseaux mobiles Première génération Fin des années 1970 Interface radio analogique Ex: AMPS (Advanced Mobile Phone Service) aux Etats-Unis, Radiocom 2000 en France, NMT 900 dans les pays nordiques, TACS en Angleterre, NETZ C en Allemagne Deuxième génération Début des années 1990 Interface radio numérique Ex: GSM en Europe et dans le monde, DCS (Digital Communication System) qui est le standard de GSM sur la bande 1800 MHz, IS-136, IS-95, GSM PCS 1900 aux Etats-Unis Fonction GPRS Troisième génération Débuts des années 2000 Applications multimédias et Internet Ex: UMTS 3G+ et 4G 3G+: Haut débit de données (HSDPA High Speed Downlink Packet Access) 4G: Terminal multi-homé (LTE Long Term Evolution, WiMax, WiFi) UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 3 Cellule Cellule est une zone géographique arrosée par une antenne située au centre UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 4

3 Taille de cellule Dépend fortement des fréquences et des puissances utilisées Plus la fréquence est élevée, moins la portée de la cellule est grande Plus la puissance est forte, plus la portée de la cellule est importante UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 5 Différentes tailles de cellule UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 6

4 Exemples des fréquences utilisées UHF Ultra High Frequency 30 MHz 300 MHz VHF Very High Frequency 300 MHz 3 GHz GSM dans l ensemble d Europe MHz (sens montant) MHz (sens descendant) DCS1800 (Digital Cellular System) MHz (sens montant) MHz (sens descendant) UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 7 Un réseau cellulaire Un réseau constitué de cellules qui recouvrent le territoire que l opérateur souhaite desservir UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 8

5 Handover Le changement de cellule d un mobile La procédure de handover assure la continuité de la communication en cours UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 9 Réutilisation de fréquences La réutilisation de la même fréquence dans les cellules non adjacentes permet une couverture à grande échelle Un motif de taille K est défini comme le plus petit groupe de cellules contenant l ensemble des canaux une et une seule fois F2 F2 K = 3 F3 F1 F3 F1 F3 F2 F2 F2 F3 F3 UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 10

6 Interface radio Le mobile communique par une interface radio avec l antenne centrale Utilise des bandes de fréquences spécifiques du pays dans le quel est implanté le réseau En Europe: GSM 900 MHz DCS 1800 MHz Aux États-unis: DCS 1900 MHz Spécification d une interface radio Techniques de modulation, de codage et d accès multiple Les bandes utilisées, les débits binaires, les puissances émises, les procédures d accès et de transmission UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 11 Les techniques d accès L interface radio est chargée du partage des bandes de fréquences entre les utilisateurs Il faut une politique d accès empêchant les collisions de se produire FDMA (Frequency Division Multiple Access) utilisé dans la première génération de réseaux mobiles TDMA (Time Division Multiple Access) utilisé dans GSM CDMA (Code Division Multiple Access) utilisé dans l UMTS UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 12

7 FDMA (1) La bande de fréquence f est découpée en n sous-bandes permettant à n mobiles distincts d émettre en parallèle UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 13 FDMA (2) Chaque mobile comporte un modulateur, un émetteur, n récepteurs, n démodulateurs Les fréquences sont attribuées entre les divers mobile au fur et à mesure qu ils se présentent dans la cellule Si une ou plusieurs liaisons sont inutilisées, il y a perte des bandes correspondantes UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 14

8 TDMA (1) Le temps est découpé en tranches qui sont affectées successivement aux différents mobiles UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 15 TDMA (2) Chaque mobile est équipé d un seul récepteurdémodulateur Un bloc transmis dans une tranche de temps comporte une préambule qui permet d obtenir les différentes synchronisations nécessaires entre le mobile et la station de base et d éviter de chevauchement possible entre deux stations UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 16

9 CDMA Les mobiles d une même cellule partagent un même canal radio en utilisant un code unique affecté par le système qui détermine les fréquences et les puissances utilisées Permettre de réutiliser les même fréquences dans les cellules adjacentes UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 17 Architecture d un réseau mobile (1) UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 18

10 Architecture d un réseau mobile (2) UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 19 Architecture d un réseau mobile (3) Le territoire à desservir est subdivisé en cellules Une cellule est liée à une station de base Pour desservir une zone où la densité du trafic est très forte Plusieurs stations de base peuvent couvrir cette zone Le rayon d une cellule peut descendre sous les 500 m UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 20

11 Architecture GSM (1) RTC Sous-système radio Sous-système réseau UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 21 Architecture GSM (2) Sous-système radio BTS (Base Transceiver Station) BSC (Base Station Controller) Sous-système réseau MSC (Mobile service Switching Center) Deux bases de données HLR (Home Location Register) VLR (Visitor Location Register) AuC (Authentication Center) Terminal mobile Carte SIM (Subscriber Identity Module) UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 22

12 Sous-système radio Gérer l interface radio Les stations de base (BTSs) prennent en charge les fonctions de transmission et de signalisation Le contrôleur de station de base (BSC) gère les ressources radio électronique des BTSs qui dépendent de lui UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 23 Sous-système réseau Les centres de commutation du service mobile (MSCs) assurent la commutation qui permet Relier les contrôleurs de station de base L interconnexion entre des stations de base L interconnexion du réseau mobile avec les autres réseaux de télécommunications Deux bases de données pour la gestions des abonnés Enregistreur de localisation nominal (HLR) contient des informations des abonnés rattaché d une manière permanente à un MSC Enregistreur de localisation des visiteurs (VLR) contient dynamiquement des informations des abonnés actuellement connectés à un MSC Un centre d authentification relié au HLR permettant d authentifier des abonnés connectés au réseau UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 24

13 Terminal mobile Contient une carte à puce (carte SIM) qui comporte l identité de l abonné Authentification de l identité de l abonné s effectue entre la carte SIM et le centre d authentification (AuC) Carte SIM Numéro IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Ex: Terminal Numéro IMEI (International Mobile Equipement Identity) Numéro MSISDN (Mobile Station ISDN Number) Ex: UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 25 Interface radio Bandes de fréquences Sens montant: MHz Sens descendant: MHz Les bandes de fréquences sont subdivisées en canaux fréquentiels de largeur 200 KHz Sur un canal, les signaux sont modulés et émis autour d une fréquence porteuse qui siège au centre de la bande du canal Dans GSM porteuses disponibles pour chaque bande de fréquence montante ou descendante UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 26

14 TDMA dans GSM Chaque porteuse est divisée en intervalles de temps appelés slots T slot = (75/130)10-3 (s) = 0,5769 ms Sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquets de 8 pour former une trame TDMA T TDMA = 8 * T slot = 4,6152 ms Chaque utilisateur utilise un slot par trame TDMA Un «canal physique» est constitué par la répétition périodique d un slot dans la trame TDMA sur une fréquence particulière UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 27 Trame TDMA Slot (~577 µs) Trame TDMA (4,6152 ms) Un canal physique simplex plein débit sans saut de fréquence Un canal physique simplex demi-débit sans saut de fréquence UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 28

15 Duplexage Un canal physique duplex correspond à deux canaux physiques simplex f u (i) = f d (i) - W duplex f d (i): la fréquence de la voie descendante f u (i): la fréquence de la voie montante W duplex est l écart duplex (45 MHz en GSM) Les fréquences des voies descendantes en GSM 900 f d = (0,2 * n), 1 n 124 Un mobile émet et reçoit à des instants différents de trois slots UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 29 Canal physique duplex sans saut de fréquence fréquence f d Écart duplex Voie descendante Voie montante f u temps UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 30

16 Débits Parole 13 Kbit/s Trame de parole analogique (20 ms) Codage de parole Parole non protégée à 13 Kbit/s (260 bits/20 ms) Codage de canal Parole protégée à 22,8 Kbit/s (456 bits/20 ms) Entrelacement Données 9,6 Kbit/s 8 demi-busrts (8 x 114/2 bits) à envoyer dans 8 trames TDMA UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 31 Fonctionnement de GPRS GPRS définit une architecture de réseau à commutation par paquets avec gestion de la mobilité et accès par voie radio Un réseau GPRS comprend des abonnés propres et peut être reliés à divers réseaux de données fixes (IP, X.25, etc.) Le protocole réseau, quel qu il soit, est désigné sous le terme générique PDP (Packet Data Protocol) UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 32

17 Architecture GPRS UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 33 Protocoles du plan utilisateur - GPRS PDP = IP, X.25, UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 34

18 Service IP offert par GPRS Un terminal GPRS dispose d une adresse IP dont le champ réseau est spécifique au réseau GPRS Adresse IP Réseau GPRS x.x Internet Internet Réseau local x UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 35 Augmentation des débits Terminaux «multislots» capables de recevoir et/ou de transmettre sur plusieurs intervalles de temps par trame TDMA Jusqu à 4 slots en réception Réduction de la protection des données utilisateurs Débits Maximal disponible : 48 Kbit/s Annoncé: 171,2 Kbit/s UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 36

19 UMTS UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 37 Propriétés générales Utiliser la méthode d accès CDMA large bande Offrir des services de 144 Kbit/s, 384 Kbit/s, voire de 2 Mbit/s La parole est encapsulée dans AAL2 sur les interfaces Iu, Iur, et Iubis UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 38

20 Radio cognitive Utiliser le radiologiciel permettant à un émetteur-récepteur d être reconfigurable Changer dynamiquement les fréquences utilisées Redéfinir dynamiquement par logiciel toutes les couches, y compris la couche physique Permettre une utilisation flexible et efficace des fréquences disponibles UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 39 Références Support de cours RTEL, Guy Pujolle, 2009 Les réseaux, Guy Pujolle, 2008 Réseaux GSM, Xavier Lagrange, Philippe Godlewski, Sami Tabbane, Hermes Science, 2000 UPMC - M1 Réseaux - UE RTEL 40

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