Types de réseaux. Chapitre 4

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1 Chapitre 4 Types de réseaux L extension des services téléinformatiques suit étroitement celle des réseaux de télécommunications. Ces derniers servent d infrastructure au transport de l information et ils se développent de façon à permettre le transit indifféremment de tout type de données, par l accroissement des procédés numériques. Commençons par étudier le réseau téléphonique. Nous présenterons ensuite le réseau numérique à intégration de services (RNIS). Voici les concepts importants abordés dans ce chapitre : La téléphonie l architecture du système téléphonique le dimensionnement d un système téléphonique le trafic téléphonique la signalisation les systèmes de commutation la téléphonie sans fil Le réseau numérique à intégration de services (RNIS) le modèle de référence les services RNIS la couche physique RNIS la couche liaison RNIS la couche réseau RNIS 4.1 TÉLÉPHONIE Introduction à la téléphonie En 1876, Graham Bell déposa son brevet de téléphone. En 1877, la compagnie Bell est formée. En 1876, le premier commutateur téléphonique fait son apparition. Déjà en 1890, il y a 1,5 million de téléphones aux États-Unis. Le nombre de téléphones atteindra bientôt le milliard. Du premier système primaire qu'il était, le téléphone a évolué et la téléphonie est devenue une science en soi. Elle fait appel à des techniques de traitement du signal analogique et numérique. De plus, la possibilité de commuter intelligemment et économiquement les lignes d abonnés est un art, car il s'agit de bien dimensionner les commutateurs pour que tout abonné puisse être rejoint facilement, presque en tout temps et avec un minimum de délai. Le câblage de cuivre comprenait au départ des câbles bipolaires, des câbles torsadés et des câbles bipolaires blindés. Par la suite, pour des transmissions à de plus grandes

2 LES TYPES DE RÉSEAUX 2 vitesses, on a fait usage de câbles coaxiaux, de guides d'ondes et de fibres optiques. La communication téléphonique par voie hertzienne, d'abord réservée aux transmissions à haut débit des compagnies de téléphone, est devenue l'apanage des abonnés par le réseau de téléphonie cellulaire. Deux standards principaux ont évolué séparément au cours des dernières décennies. Dans le système téléphonique nord-américain, la hiérarchie des canaux est généralement dénommée T1, T2, T3 ou T4 ou encore DS1, DS2, DS3, DS4 correspondant à la transmission de 24, 96, 672 et 4032 conversations, aux vitesses respectives de 1,544, 6,312, 44,736 et 274,176 Mb/s. Le système européen a une hiérarchie de canaux, désignée premier, second, troisième et quatrième ordre, correspondant à 32, 128, 512 et 2048 canaux téléphoniques, aux vitesses respectives 2,048, 8,192, 34,368 et 139,264 Mb/s. Il va sans dire qu'à chacune de ces hiérarchies correspondent des méthodes différentes de reconnaissance de trames et de gestion. Le domaine est régi par des normes internationales auxquelles s'ajoutent de nombreuses normes nationales. Les normes internationales n'ont pas force de loi. Elles constituent cependant un créneau d'alignement suggéré à tout manufacturier désireux de mettre en marché ses produits de par le monde, tout en offrant un certain nombre de garanties en matière de compatibilité. Ces recommandations sont généralement respectées dans la pratique Architecture du système téléphonique Le réseau téléphonique commuté public est essentiellement un réseau public de type ouvert. Cela signifie que tout client peut en demander l accès, à condition d accepter les procédures d exploitation et les frais d utilisation. Une fois raccordé au réseau, l abonné peut avoir accès sans restriction aux autres clients du réseau. En téléphonie, la zone de distribution constitue la cellule élémentaire. Chaque zone est munie d un commutateur à autonomie d acheminement (CAA), capable d orienter le trafic sortant de la zone dans un certain nombre de directions, conformément à une topologie en étoile, comme le montre la figure 4.1.

3 LES TYPES DE RÉSEAUX 3 Commutateur à autonomie d acheminement Commutateur local (CL) Abonné Zone de distribution 2 fils 4 fils FIGURE 4.1 L organisation du réseau téléphonique. Un abonné peut être raccordé de deux façons à son commutateur à autonomie d acheminement : soit directement, soit par l intermédiaire d un commutateur local. Les commutateurs à autonomie d acheminement sont reliés entre eux par des lignes à 4 fils, alors que les commutateurs locaux le sont par des lignes à 2 fils. La ligne à 4 fils procure une paire de transmissions dans chaque sens et permet de réaliser un circuit duplex intégral. Quant à la ligne à 2 fils, elle fournit une paire de transmissions pour l ensemble du circuit. Du point de vue matériel, le réseau téléphonique est constitué : de commutateurs qui assurent la concentration du trafic des abonnés raccordés et la répartition des communications; de postes d abonnés qui assurent la conversion de la parole en signaux électriques, et vice versa; de supports de transmission appelés lignes, ou circuits, dont la fonction est de propager des signaux, à courte ou grande distance, dans la bande de fréquence permettant la reproduction fidèle de la parole, soit de 300 à 3400 Hz.

4 LES TYPES DE RÉSEAUX 4 L établissement d une communication entre deux abonnés, le demandeur et le demandé, se réalise en connectant de proche en proche des centres de commutation reliés par les supports de transmission. Les commutateurs échangent des informations, entre eux et avec les abonnés, et cela jusqu à la rupture de la connexion. Plusieurs types de support sont utilisés dans les réseaux téléphoniques. Les lignes de raccordement des abonnés à leur commutateur à autonomie d acheminement sont généralement constitués de simples paires de conducteurs métalliques faits de cuivre, recouverts d un isolant et torsadés. Les artères de transmission qui relient entre eux les centres de commutation utilisent des câbles coaxiaux, des faisceaux hertziens et, de plus en plus fréquemment, des fibres optiques Poste téléphonique L'objectif premier du téléphone était de transmettre des conversations. On a donc visé plutôt l'intelligibilité de la conversation que la haute fidélité. L'ouïe humaine peut capter des sons allant de 200 Hz à 20 khz. Cependant, la voix humaine est limitée aux fréquences allant de 2 à 6 khz environ. De fait, la majorité de l'énergie vocale est distribuée dans les quatre premiers kilohertz; aussi se contente-t-on de transmettre et de recevoir l'information audio en se limitant à la bande passante qui va de 300 à 3400 Hz seulement. Qui plus est, une telle bande passante correspond à la réponse d'un microphone fort simple, le microphone au charbon. Dans un microphone au charbon, la résistance électrique des particules de charbon qui y sont enfermées varie avec la pression acoustique. Ainsi, la voix humaine qui émet des ondes de pression acoustique d'amplitude et de fréquence variables, fait varier la résistance des particules de charbon. Il s'ensuit que le courant électrique passant dans un microphone varie selon les fluctuations de la pression de l'air, que provoque la voix humaine ou tout autre bruit dont la fréquence se trouve essentiellement dans la gamme allant de 300 à 3400 Hz. En décrochant un combiné téléphonique de son poste, le crochet commutateur est déclenché. Le microphone est aussitôt branché à une source de tension continue et l'onde électrique variable qui circule dans le fil du combiné est proportionnelle à l'amplitude des sons qui atteignent le microphone. Au récepteur, un électro-aimant est alimenté en courant par le signal électrique variable provenant à la ligne téléphonique. Il s'ensuit que des plaquettes métalliques aimantées se déplacent selon les variations du signal électrique, déplaçant un diaphragme élastique et créant de la sorte des ondes de pression acoustiques, et donc audibles. Pour l'établissement d'une conversation, l'on a recours au cadran ou au clavier à touches, de même qu'à la sonnerie. La sonnerie est activée par un courant alternatif provenant du central par la ligne de l'abonné. En tournant, le clavier à cadran déconnecte un certain nombre de fois la ligne, créant ainsi des impulsions dont le nombre est compté au central. Le clavier à touches permet de transmettre par la ligne de l'abonné des fréquences audibles particulières qui sont identifiées au central.

5 LES TYPES DE RÉSEAUX 5 La ligne de l'abonné est généralement constituée de deux fils conducteurs reliant le poste de l'abonné au central. Ainsi, chaque abonné requiert deux fils pour son propre usage. La même paire de fils sert à transmettre et à recevoir la parole dans les deux sens. Éléments du poste téléphonique Une poste téléphonique comprend les éléments suivants : Le microphone, dont la fonction est de transformer en signaux électriques variables et proportionnels, les ondes acoustiques produites par la voix humaine. Le haut-parleur ou récepteur, qui exerce la fonction inverse du microphone, soit reproduire des ondes acoustiques dont l'intensité est proportionnelle à celle des signaux électriques qu'il reçoit. Le cadran d'appel ou clavier de numérotation, qui permet de composer un numéro de téléphone. Le crochet commutateur, qui lorsque le combiné est décroché, connecte le poste téléphonique au central, l'avertissant de la prise du téléphone. La sonnerie, qui permet d'aviser un abonné de l'arrivée d'un appel. Le circuit équilibreur, qui permet à l'abonné de ne pas entendre sa propre voix. Ainsi, le signal du microphone se divise en deux parties : l'une allant au circuit équilibreur et l'autre allant au central; étant donné que le circuit équilibreur est conçu de façon à présenter la même impédance que celle du central (soit 400 Ω environ), ces deux courants sont égaux. Comme le microphone est relié au récepteur par un transformateur à sortie centrale, les courants induits par les deux signaux provenant du microphone se divisent également, mais en antiphase. Il s'ensuit que le courant total qui passe par le récepteur est nul. Combiné Le combiné téléphonique comprend un microphone et un récepteur séparés par une poignée rigide de sorte que le récepteur étant collé à l'oreille, le microphone se trouve à proximité de la bouche. Microphone Le rôle du microphone est de transformer les ondes acoustiques sonores en signaux électriques proportionnels. Dans le cas du microphone à charbon, le plus utilisé, les ondes acoustiques atteignent une membrane élastique qui communique son mouvement à de la grenaille de charbon. Deux électrodes sont branchées à la chambre contenant la grenaille de charbon. La pression acoustique qui fait varier la grenaille de charbon se condense et, de ce fait, sa résistance électrique varie également. Il en résulte que, dans un circuit comportant une batterie (tension continue), une résistance fixe et le microphone au charbon, le courant varie. C'est cette variation du signal électrique qui va représenter la voix : sa fréquence est celle de la voix et son amplitude est proportionnelle à celle du son.

6 LES TYPES DE RÉSEAUX 6 Le microphone se comporte comme une résistance variable. Au courant continu dans ce circuit, se superpose un courant alternatif proportionnel à l'intensité de la voix qui atteint le microphone. La figure 4.2 illustre le branchement type d un microphone. 1 kω Batterie (tension continue) Microphone FIGURE 4.2 Branchement type d un microphone. Récepteur Le récepteur transforme les signaux électriques variables en ondes acoustiques proportionnelles. Il consiste généralement en un électro-aimant (palette de fer doux amovible), le courant variable circulant autour d'un aimant, déplaçant ce dernier. La palette de fer doux amovible est rattachée à un diagramme dont les mouvements sont proportionnels au courant. Il en résulte un déplacement de l'air en avant du récepteur, créant ainsi des ondes acoustiques audibles. Crochet commutateur Lorsque le combiné est au repos, les fils parvenant du central atteignent le circuit de sonnerie; le microphone est toutefois déconnecté. Lorsque le combiné est levé, un ressort libère le crochet commutateur, ce qui permet de débrancher le circuit de sonnerie et de brancher les fils provenant du microphone et du récepteur. Circuit de sonnerie La sonnerie peut être électromécanique (cloche) ou encore piézoélectrique. En Amérique du Nord, le signal de sortie est un signal alternatif dont l'amplitude varie entre 90 et 110 V et dont la fréquence est de 20 ou 30 Hz. La sonnerie est activée toutes les 4 secondes pour une durée de 2 secondes. Ajoutons que le signal de sonnerie n'est pas le même dans tous les pays. Ainsi, en France, c'est un signal de 25 Hz/80 V émis toutes les 3,3 secondes pour une durée de 1,7 seconde. En Grande-Bretagne, il s'agit de deux signaux dont la durée est de 0,4 seconde, espacés de façon alternative par des silences de 0,2 seconde et 2 secondes. Cadran d'appel Le cadran rotatif traditionnel des postes téléphoniques est un générateur d'impulsions. En composant par exemple le numéro 6, on place le doigt dans le trou d'un disque mobile

7 LES TYPES DE RÉSEAUX 7 indiquant le numéro 6; on tourne le disque mobile dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à une butée d'arrêt. Sitôt le disque mobile relâché, un ressort le ramène à sa position originale. La partie reliée au disque mobile, et qui se trouve à l'intérieur du poste téléphonique, se déplace également; c est une roue édentée. En retournant à sa position initiale, la roue édentée rencontre un cliquet qui en ralentit légèrement le mouvement. À chaque «clic», les mouvements du cliquet connectent pour un certain temps le circuit menant au central. Ainsi, à six clics vont correspondre six interruptions brèves du courant circulant entre le central et le poste téléphonique (figure 4.3). Ces impulsions sont comptées au central qui identifie ainsi le nombre 6. connexion au central "6" "2" interruption au central combiné raccroché temps mort combiné décroché FIGURE 4.3 Impulsions générées dans un téléphone à cadran d appel. La fréquence des impulsions peut varier entre neuf et onze par seconde. Deux impulsions consécutives sont séparées par des durées de fermeture de circuit. La durée de fermeture du circuit T c est égale à la moitié de la durée d'ouverture du circuit T c. Le temps mort séparant la composition de deux chiffres doit être supérieur à 300 nanosecondes et inférieur à trois secondes. Clavier de numérotation En enfonçant une des douze touches du clavier de numérotation, on transmet vers le central des signaux audibles reconnaissables. Chaque enfoncement d'une touche de ce clavier connecte deux sources de fréquences audibles, comme l indique la figure 4.4. Le ressort en arrière de chaque touche ramène cette dernière à sa position de départ après chaque enfoncement.

8 LES TYPES DE RÉSEAUX (inusité) FIGURE 4.4 Tonalités générées dans un téléphone à clavier de numérotation. Ainsi, en appuyant sur la touche 8, des signaux de 852 et de 1336 Hz sont émis. En appuyant sur la touche 3, des signaux de 697 et 1477 Hz sont émis, et ainsi de suite. Les signaux émis durent 50 nanosecondes, au minimum, et le temps, qui sépare la transmission des signaux correspondant à deux chiffres (digits) différents, varie entre 45 nanosecondes et 3 secondes. Au central, ces tonalités sont décodées et interprétées comme des chiffres. Des circuits intégrés, tel le Plessey MV5089, permettent de générer les fréquences audibles avec une grande précision. Fil téléphonique Les fils téléphoniques d'aujourd'hui sont préconnectés et il n'est plus nécessaire de les brancher individuellement. Le fil spiralé reliant le combiné au poste téléphonique se termine par un connecteur RJ11. Un connecteur est branché au combiné et un autre à la prise conçue à cet effet dans le poste téléphonique. En Amérique du Nord, le connecteur mâle comprend une languette élastique qui s'enclenche dans le connecteur femelle, une fois qu il y est enfoncé. À travers le monde, on trouve différents types de prises téléphoniques. Un câble de quatre fils se terminant par des prises RJ11 se connecte au poste téléphonique d'une part et à la prise murale de l'autre. Avec l'introduction du RNIS (réseau numérique à intégration des services), un nouveau type de prise murale RJ45 a été introduit de façon à pouvoir y brancher un câble de huit fils. Notons qu un connecteur de quatre fils, terminé par un RJ11, peut s'insérer dans un connecteur huit fils RJ45. Liaison entre le poste téléphonique et le central Les lignes téléphoniques de cuivre usuelles introduisent une distorsion de fréquence particulière. Aussi doit-on placer à intervalles réguliers des inductances séries (de 15 à 60 MHz) en vue d'uniformiser l'atténuation au sein de la bande de fréquence téléphonique (3,4 khz). La méthode d'insertion des inductances le long des fils téléphoniques, appelée pupinisation, du nom de son inventeur Pupin, permet de tripler la longueur du câble utilisé, sans avoir recours à des répéteurs.

9 LES TYPES DE RÉSEAUX 9 Longueur de la ligne téléphonique Il sera souvent nécessaire d'amplifier le signal électrique voyageant le long des fils téléphoniques. Il ne faut pas oublier que les mêmes deux fils font passer des signaux audio dans les deux directions. Aussi a-t-on recours à un amplificateur bidirectionnel. Dans un tel amplificateur, les signaux de transmission (TX) et de réception (RX) sont extraits des deux fils téléphoniques au moyen d'un circuit hybride, sont amplifiés séparément et selon des sens différents avant d'être à nouveaux rassemblés sur deux fils au moyen d'un autre circuit hybride. Des circuits équilibreurs jouent un rôle déterminant dans la séparation et la recombinaison des signaux audio de transmission et de réception. Il va sans dire que les amplificateurs bidirectionnels peuvent également jouer le rôle des inductances de ligne visant à égaliser les pertes sur la ligne en fonction de la fréquence (pupinisation de la ligne). Suppresseurs d'écho Des lignes téléphoniques mal balancées peuvent être à l'origine d'écho, le signal transmis retournant à l'expédiant. L'écho survient au bout de 2 (T 2 + T 4 ) secondes, T 2 représentant le délai existant dans les deux fils et T 4 représentant le délai existant dans les quatre fils des amplificateurs bidirectionnels. Le délai est perçu par l'oreille lorsqu'il dépasse 40 ms. Par ailleurs, la puissance de l'écho dépend des pertes du transformateur deux fils à quatre fils (environ 3 db) et du transformateur quatre fils à deux fils (environ 3 db). L'écho est minimisé si l'atténuation de ligne est plus importante et si le délai encouru est plus court. L'insertion d'une annulation d'écho est la façon la plus appropriée de contrer cet inconvénient. Un modèle de l'écho adaptatif est construit à partir du signal original; ce modèle d'écho est soustrait à l'écho actuel pour l'annuler. Cette technique est aujourd'hui largement répandue, facilitée par le circuit intégré destiné à cette fin. Diaphonie Il y a diaphonie lorsqu'un signal téléphonique associé à une autre conversation interfère avec le signal téléphonique de l'abonné. La capacité distribuée entre deux lignes téléphoniques est généralement la source de la diaphonie. En théorie, nous pourrions augmenter le courant de ligne pour rendre cette dernière insensible aux courants induits par d'autres lignes. Toutefois, cela pourrait engendrer des interférences indésirables sur ces autres lignes. La situation d'équilibre est atteinte par un choix judicieux du câble et du niveau de courant circulant dans la ligne téléphonique. La diaphonie de ligne augmente généralement avec la fréquence. Elle est minimisée lorsque la capacité distribuée entre les câbles est la même que la capacité distribuée entre le câble et la terre Dimensionnement d'un système téléphonique Idéalement, le trafic téléphonique doit être fluide, c'est-à-dire que le système téléphonique doit pouvoir connecter en tout temps deux abonnés quelconques. De façon analogue, tout conducteur espère trouver en tout temps des voies routières dégagées et non congestionnées.

10 LES TYPES DE RÉSEAUX 10 Lorsqu'un usager décroche son combiné pour parler au téléphone, il doit encourir les délais suivants : l'attente de la tonalité d'invitation émise par le central, après qu il ait décroché le combiné; le temps de numérotation, qui dépend du téléphone (à cadran ou à touches) et de l'usager; le temps nécessaire à établir la connexion avec un second abonné, qui dépend des différents commutateurs placés le long de la connexion entre les abonnés; le délai de réponse du correspondant qui répond après un certain nombre de sonneries; l'efficacité du trafic, soit le rapport (en pourcentage) du nombre d'appels aboutissant à une conversation au nombre total d'appels effectués par les usagers. Il va sans dire que l'efficacité d'un réseau téléphonique fluctue au cours de la journée. Elle atteint des maximums entre 10 h et 11 h le matin et entre 17 h et 18 h le soir. Certains jours (Nouvel An ou Fête des mères, par exemple), le taux d'utilisation des téléphones est exceptionnel. Quand un abonné ne peut obtenir un circuit disponible, on dit qu'il y a blocage Trafic téléphonique Définitions La somme des communications plus ou moins nombreuses ou plus ou moins longues constitue l'intensité du trafic, laquelle se mesure en erlangs (E), du nom du mathématicien Erlang. L'intensité du trafic Q, exprimée en erlangs, est le produit du nombre moyen d appels (communications) par heure C, par la durée moyenne d'une communication T, soit : Q = CT Par exemple, si 100 abonnés engagent 40 conversations téléphoniques en une heure et que la durée moyenne de ces conversations est de 3 minutes, la fréquence des appels par heure est de : 40 C = = 0,4 appel/heure 100 et l'intensité du trafic est de : Q = CT = 0,4 appel/heure (3/60) heure = 0,02 E Si le réseau téléphonique consiste en une seule ligne téléphonique, un erlang va correspondre à 100 % d'occupation de la ligne en une heure. Pour répondre aux besoins du trafic téléphonique d'intensité E, il faut prévoir N lignes téléphoniques; ce nombre N doit être inférieur au nombre d'abonnés, pour atteindre une probabilité de blocage acceptable.

11 LES TYPES DE RÉSEAUX 11 Modèles statistiques relatifs aux calculs de blocage Lorsque l'abonné tente d'établir une communication et que le réseau est congestionné, on dit qu'il y a blocage. Un système téléphonique bien dimensionné (nombre de lignes et capacité de commutation) minimise la probabilité de blocage. Trois modèles statistiques ont été développés pour quantifier la probabilité de blocage : la formule Erlang B suppose que s'il y a blocage, l'abonné abandonne et ne rappelle pas (formule retenue dans certaines compagnies européennes); la formule Erlang C suppose que lorsqu'il y a blocage l'abonné va continuer de rappeler jusqu'à ce que la ligne se libère; la formule de Poisson suppose qu'en cas de blocage, l'abonné appelle au bout d'un certain temps T (formule retenue en Amérique du Nord). De par les hypothèses propres à chacune de ces formules, il est évident que la probabilité de blocage prédite sera plus petite dans la formule Erlang B, intermédiaire dans le cas de la formule de Poisson, et plus élevée dans le cas de la formule Erlang C. Les courbes de la probabilité de blocage en fonction du trafic exprimé en erlangs, avec le nombre de lignes N en paramètres, apparaissent dans la majorité des ouvrages traitant de trafic téléphonique. Des tables détaillées permettent également de résoudre des problèmes de dimensionnement de réseau téléphonique Signalisation La signalisation téléphonique permet les échanges d'information entre le poste téléphonique et le central (signalisation terminale), de même qu entre les commutateurs du réseau téléphonique (signalisation entre autocommutateurs). Elle comporte quatre volets : Les signaux de supervision, qui sont utilisés pour établir, rompre ou facturer une communication téléphonique. Les signaux d'adresse, qui acheminent les numéros de téléphone et les codes régionaux correspondants. Les signaux d'information, qui transmettent des informations relatives au déroulement de la communication (sons audibles, messages préenregistrés, etc.). Les signaux de gestion du réseau, qui servent à déterminer l'allocation des lignes, les caractéristiques de commutation, ou à modifier ces dernières dans le cas de surcharge du réseau. Nature des signaux de signalisation Signalisation voie par voie La signalisation voie par voie (associated channel signaling) consiste à attribuer, de façon fixe, un canal de signalisation à chaque voie de communication. Ainsi, chaque voie téléphonique dispose de sa propre signalisation afin de transmettre les informations de service la concernant. Deux mécanismes sont mis en œuvre :

12 LES TYPES DE RÉSEAUX 12 Signalisation dans la bande (in band signaling) dans laquelle les signaux sont véhiculés dans la bande des fréquences vocales. Une ou plusieurs fréquences vocales sont émises séparément ou simultanément. C'est ce type de signaux qui sont utilisés dans le cas d'un clavier de numérotation à touches. Signalisation hors-bande (out of band signaling) dans laquelle les signaux sont véhiculés dans une bande de fréquence disjointe afin de limiter les risques d interférence. Il peut s'agir d'un signal de fréquence hors-bande (3,825 khz ou même 0 Hz). La signalisation par impulsions d'un cadran de numérotation, par exemple, se fonde sur la série d'états de repos et d'états actifs de la ligne pour transmettre l'information. On peut même, dans certains cas, faire varier la polarité de l'alimentation pour augmenter le nombre de possibilités d'informations différentes. Canal sémaphore n o 7 Un canal sémaphore n o 7 (common channel signaling no. 7), dédié à la signalisation, vient s'ajouter aux canaux normaux afin que chacun soit traité séparément. Ce système a été retenu dans le RNIS (réseau numérique à intégration de services) où chaque abonné reçoit deux canaux de 64 kb/s chacun (canaux B), de même qu'un canal de signalisation de 16 kb/s (canal D). Signalisation au poste téléphonique Au poste téléphonique, la série d'impulsions générée par le cadran de commutation ou la série de tonalités générée par le clavier à touches sont reconnues au central comme des numéros. En téléphonie numérique, les signaux parviennent au central par un multiplexeur. En Amérique du Nord, 24 signaux sont multiplexés et sont codés en binaire. Au sein d'un même intervalle d'échantillonnage, nous retrouvons une série de 24 signaux de 8 bits provenant de 24 postes téléphoniques, de même qu'un bit de trame. Rappelons que la fréquence d'échantillonnage en téléphonie est de 8 khz, ce qui correspond à une période d'échantillonnage de 1 = 125 µ s, et que le niveau de chaque échantillon est représenté 8k par 8 bits. Ainsi, dans un intervalle d'échantillonnage ou trame, nous aurons, comme le montre la figure 4.5 : = 193 bits { 8 bits/canal bit unique de trame FIGURE 4.5 Trame téléphonique nord-américaine T1.

13 LES TYPES DE RÉSEAUX 13 La vitesse binaire est donc de µs = 1,544 Mb/s. Le bit de trame a un rôle essentiel. Il est identifiable et permet d'assigner chaque groupe de huit bits à son «géniteur» légitime. Autrement, nous ne saurions reconnaître dans un train d'impulsions donné quand répartir les bits par groupes de huit. Voyons maintenant les principales méthodes de signalisation qui prévalent entre le poste téléphonique et le central, et entre plusieurs centraux. Signalisation de mise en marche par court-circuit (loop start) Un changement d'état d'occupation de la ligne se fait généralement par la détection du courant de ligne qui passe d'une valeur quasi nulle (combiné raccroché) à une valeur allant de 20 ma à 40 ma (combiné décroché), comme le montre la figure 4.6. La variation de courant est détectée par le central qui prend les mesures nécessaires pour continuer l'appel. Rappelons que les lignes sont alimentées par une tension de 50 volts, fournie par le central. Poste téléphonique Poste 600 Ω téléphonique FIGURE 4.6 Signalisation Loop Start. Tip I = 0 0 V Ring -50 V Combiné raccroché -20 V I 0 0 V Tip Ring -30 V -50 V Combiné décroché Central Central En levant le combiné, une résistance de 600 Ω est branchée au central. Le courant de la ligne dépend de la longueur des fils téléphoniques. Il peut varier entre la valeur maximale de 41 ma, lorsque la longueur des fils est négligeable, et la valeur minimale de 20 ma, la résistance des fils étant alors limitée à 1300 Ω. Le central est alors prêt à recevoir les informations de numérotation de la part du poste téléphonique. Dans le cas de la réception d'un appel (figure 4.7), le signal de sonnerie (courant alternatif) provenant du central active le circuit de sonnerie du poste téléphonique.

14 LES TYPES DE RÉSEAUX 14 Circuit de sonnerie Poste téléphonique 0 volt Central -50 volt + signal de sonnerie Combiné raccroché, réception de sonnerie FIGURE 4.7 Réception d un signal de sortie, signalisation Loop Start. Une situation délicate peut toutefois se produire : un usager peut décider de décrocher son combiné en même temps que le central décide de lui envoyer un signal de sonnerie. Pour éviter une telle situation, on passe à la signalisation par mise à la terre (ground start signaling). Normalement, le central fournit une tension de 50 volts à un des deux fils téléphoniques (fil R), tandis que le second fil (fil T) est ouvert. Lorsqu'un abonné veut placer un appel, il met momentanément à la terre le fil R, avant que le poste ne vienne se connecter au fil R. De la sorte, le courant circule entre le central et le fil R. Le central détecte l'augmentation de courant. Lorsqu'il est prêt à recevoir de l'information du poste téléphonique (l'adresse), il réagit en connectant à la terre le fil T, mettant ainsi en fonction la boucle du central : fil R, poste téléphonique et fil T. Le central peut envoyer alors une tonalité d'invitation. L'abonné, qui détecte la mise à la terre du central et la tonalité d'invitation, compose alors son numéro. Un abonné reçoit un appel lorsqu'il reçoit un signal sur le fil R ou lorsqu'il détecte la mise à la terre du fil T par le central. L'avantage de la signalisation par mise à la terre est de réduire la possibilité que l abonné et le central prennent un circuit simultanément. Signalisation entre autocommutateurs Signalisation par changements d'états À une extrémité du circuit, le circuit ouvert est dans une situation de repos. Lorsqu'un circuit est activé, les extrémités du circuit sont connectées à une résistance de 500 Ω tout au plus. La seconde extrémité du circuit, les extrémités T et R sont branchés à la terre et à 50 volts. Sitôt que le circuit est activé, les polarités des extrémités T et R du circuit sont inversées; cette inversion de polarité se déroule généralement en moins de 5 ms. Signalisation par tonalités de supervision Généralement, la fréquence de 2600 Hz est utilisée comme tonalité de signalisation. Certains systèmes utilisent une première fréquence dans une direction et une seconde fréquence dans l'autre direction. Ce type de signalisation est appelé signalisation dans la bande, car les signaux sont émis dans les mêmes voies et les mêmes fréquences que la

15 LES TYPES DE RÉSEAUX 15 parole. L'abonné n'entend pas cette tonalité, car lorsque le combiné est raccroché, un filtre éliminateur de bande à 2600 Hz bloque cette tonalité. La méthode dite de signalisation multifréquence attribue à chaque chiffre allant de 0 à 9, deux paires de fréquences. Par ailleurs, deux autres signaux bifréquences indiquent respectivement le début et la fin de la composition du numéro appelé. Il existe un autre type de signalisation dite hors-bande, qui se fait à des fréquences en dehors de celles de la parole, soit à 3,5 khz et plus. Il existe également une version de signalisation multifréquence, dans la bande et hors-bande, faisant usage de six tonalités dans chaque direction. Signalisation E et M La signalisation E et M (du latin, E pour excipere qui signifie recevoir, et M pour mittere qui signifie émettre) est utilisée entre les autocommutateurs. Cette signalisation ne se fait pas au sein des deux ou quatre lignes de circuits téléphoniques audio, mais au sein de deux lignes supplémentaires. Elle permet de superviser les conditions de circuits «branchés/débranchés». L'information «M» provient du commutateur et est acheminée vers le circuit de signalisation; l'information «E» suit le chemin inverse. Il existe plusieurs protocoles pour les signaux d'interface E et M. Ces protocoles régissent généralement la communication entre les autocommutateurs (PBX pour Private Branch Exchange) et le central. Signalisation numérique En téléphonie numérique PCM (Pulse Code Modulation) en Amérique du Nord, le dernier bit audio de chaque groupe de six trames est dérobé pour être consacré à la signalisation; dans les téléphones publics, cela se fait pour le dernier bit audio de chaque groupe de douze trames. Cette méthode rend le système téléphonique nord-américain incompatible avec la transmission de données, en raison de l emprunt de bits (bit stealing). Aussi, plutôt que de transmettre les données à 64 kb/s, les lignes téléphoniques dédiées à la transmission de données fonctionnent à 56 kb/s, comme si les signaux audio étaient codés sur sept bits, plutôt que sur huit. En effet, 8000 échantillons/s x 7 bits/échantillon = 56 kb/s. Il est courant en Amérique du Nord d avoir des systèmes de transmission de données à des vitesses multiples de 56 kb/s. Par contre, les lignes RNIS fonctionnent à des vitesses multiples de 64 kb/s, que ce soit pour la transmission de données ou pour la transmission audio. Numérotation Les recommandations UIT-TSS E.163 et E.164 prévoient l octroi d un numéro international de douze et de quinze chiffres. Ainsi, dans la recommandation E.164, trois chiffres sont réservés au code du pays (Canada et États-Unis : 1, France : 33, Grande- Bretagne : 44, Israël : 972, etc.), ce qui laisse jusqu à douze chiffres pour la composition à l intérieur du pays, code régional compris. L avantage de la nouvelle recommandation E.164 est d être compatible au RNIS : trois bits sont réservés au code du pays, le même que celui de la recommandation E.163.

16 LES TYPES DE RÉSEAUX 16 Dans le cas de la communication de données, les services à commutation de paquets publics (PPSN) utilisent la numérotation dite X.121 : trois numéros pour le pays, un numéro pour le réseau et dix numéros pour identifier le terminal; cette numérotation n est pas compatible avec celle de la recommandation E.163. Par exemple, au Canada, les quatre premiers chiffres du réseau Datapac sont En France, les quatre premiers chiffres du réseau Transpac sont En Grande-Bretagne, les quatre premiers chiffres du réseau DSS sont Ceux de Tymnet et de Sprintnet aux États-Unis sont 3106 et Les autres services de communication de données publics, tel le CSPDN, utilisent la même numérotation que le système téléphonique et le RNIS Systèmes de commutation La commutation consiste à choisir un chemin particulier parmi tous les chemins possibles et disponibles permettant de relier deux lignes téléphoniques données, le numéro composé par l'abonné servant d'instructions au commutateur. Ce chemin est toujours le chemin disponible le plus direct au moment de l appel et il est choisi en fonction de la charge instantanée des artères de communication dans le réseau. Ainsi, un mécanisme de routage (calcul et choix d un chemin) est mis en place dans chaque commutateur. Le rôle d'un commutateur téléphonique est d'établir une liaison entre deux lignes qui lui sont rattachées; cette liaison est maintenue pendant toute la durée de la conversation téléphonique. Un commutateur enregistre également le numéro et la durée d'une conversation à des fins de facturation. On distingue deux familles technologiques de commutateurs : les commutateurs électromécaniques, les plus anciens et qui sont en voie de disparition, et les commutateurs électroniques. Un commutateur électronique est un ordinateur disposant d un nombre important d équipements d entrée-sortie spécialisés, ainsi que d un système d exploitation, de logiciels de communication, de gestion, etc. Parmi les commutateurs électroniques, on retrouve les commutateurs spatiaux et les commutateurs temporels. Commutation spatiale Le commutateur spatial met en œuvre la commutation de circuits. Il effectue en effet une connexion électrique directe entre une ligne d entrée et une ligne de sortie. Cette connexion se fait automatiquement et est réalisée en quelques microsecondes. L inconvénient majeur du commutateur spatial, c est que le nombre de points de connexion est égal au carré du nombre de lignes du commutateur. Étant donné qu il est impossible avec la technologie actuelle de construire un boîtier pour accommoder plus de 1000 broches avec points de connexion, l utilisation du commutateur spatial est limitée à de petits systèmes de commutation locaux. Commutation spatiale multiétage Pour remédier au problème causé par le nombre de points de connexion, on a recours à la commutation spatiale multiétage, qui consiste à fragmenter un gros commutateur spatial

17 LES TYPES DE RÉSEAUX 17 en plusieurs plus petits et à les relier entre eux sous la forme d un réseau d interconnexion spatiale. Commutation temporelle Les commutateurs temporels sont utilisés en téléphonie numérique, les signaux binaires PCM étant commutés de façon temporelle par des ordinateurs. Leur principe de fonctionnement est le suivant : les n lignes d entrées sont explorées séquentiellement et régulièrement en vue d élaborer une trame d entrées multiplexées comprenant n intervalles de temps. Par exemple, dans la hiérarchie téléphonique nord-américaine, 24 canaux de 8 bits sont multiplexés dans le temps, dans l intervalle d échantillonnage de 125 µs. Le cœur du commutateur temporel est un dispositif mélangeur de voies qui comprend une mémoire tampon et une mémoire de commande; l entrée du mélangeur est la trame multiplexée initiale. Les 8 bits de chaque canal sont écrits en séquence dans la mémoire tampon du mélangeur. Lorsque toute la trame est enregistrée, elle est vidée dans un ordre différent, sous le contrôle d une mémoire de commande ou table de commutation. Ainsi, la séquence des intervalles de temps entre dans une mémoire tampon, mais est lue dans un ordre différent. L ordre de lecture est géré par un ordinateur dédié à la commutation. Autocommutateurs Il existe plusieurs façons de connecter un combiné, selon le type de service désiré. La ligne d abonné individuelle est normalement reliée avec un certain nombre d abonnés. Il existe également des lignes téléphoniques partagées entre un certain nombre d utilisateurs. Par contre, les entreprises peuvent avoir recours à des services téléphoniques desservis par un autocommutateur. Un groupement de lignes est un ensemble de lignes desservant un autocommutateur, de sorte qu un appel passant par l autocommutateur puisse passer par n importe quelle ligne de ce groupement de lignes. Ainsi, les téléphones au sein d une entreprise sont reliées à un autocommutateur disposant d un certain groupement de lignes le reliant au central. Autocommutateurs PBX Les commutateurs électroniques dits PBX (Private Branch Exchange) ou PEBX (Private Electronic Branch Exchange) sont devenus courants. La première génération a été celle des téléphones à touches qui concentraient les appels de près de dix usagers. Les commutateurs électroniques PBX sont la propriété et la responsabilité de l usager et concentrent entre 30 et 1500 appels. La solution dite Centrex est un commutateur électronique PBX géré par la compagnie de téléphone; c est un PBX virtuel. Le marché des PBX est ouvert à la concurrence en Amérique du Nord. On y trouve des compagnies telles AT&T, Nortel, ROLM, NEC, Mitel, Wang, Fujitsu, Toshiba, Hitachi, Alcatel, Ericson, et d autres.

18 LES TYPES DE RÉSEAUX 18 Options offertes par les autocommutateurs Les autocommutateurs offrent aujourd hui à l usager un nombre impressionnant de fonctions. Composition abrégée (abreviated dialing) Rappel automatique (call back) Identification de ligne (call party identification) Appel conférence (conference call) Haut-parleur (hand free operation) Indicateur de message (message indicator) Recomposition du dernier numéro (redial) Messagerie vocale (voice mail) Transfert d appels (call transfer) Code de numérotation abrégé pour certains numéros. Essai de recomposition automatique lorsque la ligne appelée est occupée. Le numéro de l appelant est présenté à l appelé. Permet d adjoindre d autres abonnés à une même conversation. L abonné n a pas besoin de prendre le combiné. L appareil téléphonique est doté d un microphone et d un haut-parleur. Indique qu un appel a été reçu. La recomposition se fait par la pression d une touche dédiée. Enregistre les appels reçus en l absence de l appelé. Permet de prendre l appel à un autre numéro. Le nombre d options offertes à l usager est fort grand et il serait fastidieux de toutes les énumérer. L industrie fait grand usage de la distribution automatique d appels (ACD, Automatic Call Distribution). Ainsi, dans des organisations de services, les appels sont acheminés séquentiellement aux préposés non occupés. Cela distribue donc plus équitablement et de façon plus efficace les appels auxquels doit répondre une telle organisation. Les services automatisés de réponses vocales (voice response services), offrant à l appelant un menu d options auxquelles il peut accéder en composant une ou plusieurs touches particulières, ont remplacé en grande partie le rôle joué auparavant par la standardiste ou une réceptionniste. Le nombre interminable d options risque cependant de frustrer l usager. Par ailleurs, les messages téléphoniques reçus peuvent être écoutés à distance, après la composition d un «mot de passe» particulier. La génération des téléphones intelligents (smart phone) propose à l abonné les mêmes possibilités qu un ordinateur : messagerie électronique, service de télécopie, paiement de factures et services bancaires. Les compagnies de téléphonie cellulaire notamment offrent

19 LES TYPES DE RÉSEAUX 19 à l usager des services de communication personnels (PCS, Personal Communication Services) dont les possibilités vont sans cesse en augmentant. Routage des appels Les circuits de téléphonie publics sont conçus pour assurer un blocage ne dépassant pas 1 %. Autrefois, le routage était directement relié à la numérotation et l appel suivait une hiérarchie rigide. L appel local transite par le commutateur de l échangeur local, l appel régional transite par un commutateur de plus haut niveau, etc. Aujourd hui, le routage se fonde sur le trafic en temps réel. De la sorte, lorsqu un circuit est surchargé, le trafic est dévié sur une autre route. Un bon système téléphonique prévoit des routages alternatifs, fut-ce pour des raisons de sécurité advenant le cas où un circuit particulier serait rompu Téléphonie sans fil La communication mobile et, de façon générale, la communication sans fil constituent un domaine en pleine expansion. La technologie des faisceaux hertziens entre stations fixes est depuis longtemps mature. De façon générale, il s agit de transmettre de très larges bandes passantes (de l ordre d une vingtaine de mégahertz) sur une fréquence porteuse de plusieurs gigahertz. Des solutions originales ont été apportées aux problèmes des évanouissements dus à la propagation de l onde par trajets multiples. Cette technologie est hautement fiable. Les téléphones sans fil, dits portables et dont on se sert dans les domiciles, utilisent de faibles puissances et leur portée est limitée à quelques dizaines de mètres. L extension de la portée peut être obtenue au moyen de stations répétitrices placées dans des endroits stratégiques, comme c est le cas pour les technologies dites CT1, CT2, CT2+ et CT3. La téléphonie cellulaire permet d augmenter la capacité du réseau téléphonique mobile. Une région donnée est divisée en cellules dont le rayon est de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres; des fréquences particulières sont attribuées à chaque cellule. En choisissant parmi les signaux reçus celui dont la puissance est la plus élevée, le récepteur cellulaire de même que le récepteur associé à la base dédiée à chacune des cellules identifient la cellule en usage à tout moment. La station de base de la cellule identifie le récepteur cellulaire particulier, selon un certain protocole d identification, et elle transmet régulièrement l adresse de la cellule à la station de base de la cellule d origine du récepteur. De la sorte, lorsque quelqu un appelle le récepteur cellulaire, sa base d origine transfère directement l appel à sa base actuelle. Les systèmes analogues (AMPS, par exemple) transmettent généralement en FM sur des fréquences allant de 800 à 900 MHz. Les systèmes numériques fonctionnent par multiplexage temporel (TDMA) à l intérieur d une bande de fréquence allant de 800 à 900 MHz ou de 1,85 à 1,99 GHz. Toutefois, la modulation par spectre étendu (CDMA) qui consiste à transmettre à de très bas niveaux de puissance l information multipliée par des séquences binaires particulières de haut débit, qui constituent un «code» personnalisé, présente des avantages particuliers, notamment en ce qui a trait à la capacité

20 LES TYPES DE RÉSEAUX 20 des cellules. Les systèmes CDMA utilisent la bande passante à l intérieur des fréquences 1,85 à 1,99 GHz. Le système standard GSM, qui fait usage de la technologie CDMA, a été adopté dans une cinquantaine de pays. Il faut ajouter à cela les systèmes de pagette (paging), ainsi que les réseaux radio privés. L on parle de plus de systèmes de communication personnels (PCS) dans lesquels c est l individu plutôt que le terminal qui est identifié par un numéro particulier. Des services de téléphonie, de messagerie, de multimédia, de vidéoconférence et de bureautique sont prévus en PCS. Des cartes d identification personnalisées SIM (Subscriber Identity Module) insérées dans un appareil PCS permettent de personnaliser et de sécuriser les services PCS. Un tel système est grandement facilité par des systèmes satellites en orbite autour de la Terre : système géostationnaire tel le MSAT, système à basse orbite tel l Iridium, système à orbite moyenne tel l Odyssée, et système à haute orbite elliptique tel l ELMSAT. De tels systèmes peuvent communiquer avec des récepteurs fixes, mobiles ou portables. Les réseaux locaux sans fil transmettant par ondes hetziennes ou par ondes infrarouges font leur pénétration sur le marché. La téléphonie sans fil peut être subdivisée en services fixes, telles les transmissions entre des tours d antennes ou des antennes fixes en zones relativement éloignées, en services portables, ces derniers l étant généralement au sein d un même emplacement (réseaux locaux sans fil ou appels confinés à l intérieur d un bâtiment ou d une industrie) ou en services mobiles où l usager est en déplacement constant. La téléphonie sans fil couvre de nombreux services : pagette, téléphonie, données, télécopies, etc. Nous tenterons d en présenter les principaux domaines, de même que les paramètres et les difficultés techniques qui s y rattachent. Principales méthodes de transmission à accès multiple en téléphonie mobile Il existe trois méthodes principales permettant le multiplexage de plusieurs conversations en téléphonie mobile. Elles sont connues sous les sigles de FDMA (Frequence Division Multiple Access) ou multiplexage temporel à accès multiple, TDMA (Time Division Multiple Access) et CDMA (Code Division Multiple Access) ou accès multiple à répartition de code. FDMA Dans un système FDMA, plusieurs canaux de fréquence sont alloués pour pouvoir transmettre un ensemble de conversations simultanées, tout comme c est le cas pour la syntonisation radio où plusieurs stations, ayant chacune leur fréquence de transmission propre, émettent simultanément. La téléphonie cellulaire analogique a recours au FDMA. TDMA Dans un système TDMA, l axe du temps est réparti en intervalles réguliers. À chaque utilisateur est alloué un intervalle de temps particulier de façon périodique. Ainsi, s il y a N utilisateurs qui se partagent une période T, chaque utilisateur peut utiliser un intervalle de temps T/N, de même que tous les intervalles de temps qui surviennent nt plus tard, où n est un nombre entier. Généralement, la période T est reliée à la période d échantil-