Les réseaux cellulaires Introduction Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 1
Introduction Les réseaux cellulaires sont les réseaux dont l'évolution a probablement été la plus spectaculaire Cette technologie forme la base des systèmes de radiocommunication avec les téléphones mobiles Technologie développée pour améliorer les capacités du service de téléphonie mobile Avant ce développement, ce service de communication ne fonctionnait que par l'existence d'émetteur-récepteur à haute puissance Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 2
Les réseaux cellulaires Le modèle Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 3
Organisation des réseaux cellulaires Le principe de fonctionnement repose sur l'emploi d'émetteurs de faible puissance (100 W ou moins) Chaque secteur géographique est découpé en petites zones appelées cellules Chaque cellule dispose de son propre émetteur-récepteur, souvent appelé antenne, sous le contrôle d'une station de base A chaque cellule est affecté une plage de fréquences Des cellules voisines doivent utiliser des fréquences différentes pour éviter d'interférer entre-elles Le modèle idéal de réseau cellulaire est un réseau hexagonal, afin que la distance entre une antenne et toutes ces voisines soit la même Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 4
Cellules hexagonales Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 5
Les fréquences? La puissance d'émission doit être réglée de façon très rigoureuse afin d'éviter tout débordement sur un cellule voisine L'usage veut qu'il ne soit pas réutilisé la même fréquence sur les cellules voisines afin d'éviter tout problème d'interférences Chaque cellule peut alors utiliser une bande de fréquence découpée en plusieurs canaux Un autre critère de conception important est celui de la distance minimale devant séparer 2 cellules qui exploitent une même bande de fréquences L'organisation des cellules aux fins de réutilisation des fréquences peut suivre divers types de groupements appelés motifs Si le motif retenu contient N cellules, chacune d'elles peut exploiter K/N fréquences, avec K le nombre total de fréquences allouées au système Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 6
Exemple avec N=4 3 1 3 1 2 4 2 4 3 1 3 1 4 2 4 2 2 3 1 3 1 3 1 4 2 4 4 2 3 1 3 1 4 Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 7
Exemple avec N=7 3 2 2 3 7 1 1 4 4 6 5 5 2 3 7 1 4 6 5 3 4 2 3 4 1 7 7 6 6 5 2 2 3 7 3 7 1 1 4 6 4 6 5 2 5 2 3 2 7 4 1 1 7 3 4 1 6 5 5 6 5 7 6 Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 8
Augmentation des capacités Avec le temps, le nombre d'utilisateurs augmente. Les fréquences allouées à chaque cellule n'est donc plus suffisant Plusieurs solutions sont alors possibles Ajout de nouveaux canaux : tous les canaux ne sont pas toujours utilisés lors de la mise en place d'une cellule. Certains canaux peuvent alors être rendu utilisable Emprunt de fréquences : les cellules congestionnées empruntent des fréquences aux cellules voisines, ce qui revient à élargir la bande de fréquences utilisées par ces cellules Division de cellule : généralement, la taille d'une cellule est entre 6,5 et 13km. Suivant la densité de la population, cette dimension est trop importante. Dans ce cas, en diminuant la puissance d'émission des antennes, il est alors possible de fabriquer des cellules plus petites (voir des micro-cellules). Malheureusement, cela occasionne plus de transfert intercellulaire (ou handover) Sectorisation de cellule : division d'une cellule en un certain nombre de secteurs qui reçoivent chacun un sous-ensemble de canaux de la cellule. On utilise alors des antennes directionnelles, orientées vers chacun des secteurs Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 9
Les micro-cellules Autre solution possible pour l'augmentation de la capacité d'une cellule On diminue la taille des cellules afin d'atteindre des tailles de cellule comprises entre 0,1 km et 1 km Ainsi, des antennes peuvent être placées sur un toit d'un petit immeuble ou sur un réverbère pour couvrir des petites rues ou des immeubles fortement habités Une des caractéristiques typiques d'une cellule est l'étalement moyen de délai : c'est le temps qui sépare l'arrivée du premier signal et du dernier en raison de la propagation multitrajet Les caractéristiques typiques des macro-cellules sont : rayon 1 à 20 km, puissance de 1 à 10 W, débit bianire max. 0,3 Mb/s, étalement moyen de délai entre 0,1 et 10 µs des micro-cellules sont : rayon 0,1 à 1 km, puissance 0,1 à 1 W, débit 1 Mb/s, étalement moyen de délai entre 10 et 100 ns Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 10
Les réseaux cellulaires Le fonctionnement Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 11
Fonctionnement Au centre de chaque cellule se trouve une station de base (ou BS : Base Station), comprenant une antenne, un contrôleur et un certain nombre d'émetteurs-récepteurs Le contrôleur sert à la gestion du processus d'appel entre un mobile et le reste du réseau Chaque station de base est connectée à un centre de commutation de mobiles ou MTSO (Mobile Telephone Switching Office), gérant plusieurs stations. Généralement, une station est connecté de façon filaire avec un centre de commutation. Ce centre est également connecté au réseau téléphonique public pour permettre d'atteindre les abonnées du réseau fixe Ce centre se charge de l'affectation des canaux voix pour chaque appel, gère le transfert inter-cellule et l'enregistrement des informations de facturation Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 12
Les types de canaux Entre une station et un mobile, 2 types de canaux sont utilisés Des canaux de contrôle : sert à l'établissement et au maintien des connexions (et communications) et à la mise en relation d'un mobile d'une station avec la station de base la plus proche Des canaux de trafic : transportent les communications vocales et de données Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 13
Communication entre 2 mobiles (1/2) Nous allons détailler le fonctionnement d'une communication entre 2 mobiles au sein d'un secteur contrôlé par un seul centre de commutation Initialisation d'un mobile: lorsque vous allumez votre mobile, celuici recherche le signal de contrôle d'appel le plus fort et sélectionne un canal. Périodiquement, les stations émettent leur bande de fréquences respective. Ensuite, une procédure de présentation (ou handshake) a lieu entre le mobile et le centre de commutation afin d'identifier le mobile et sa position géographique Appel initié par un mobile: Le numéro d'un abonné est émis sur le canal de contrôle d'appel vers le centre de commutation qui luimême retransmet l'information à toutes ses cellules Notification d'appel: chaque station émet sur son canal de contrôle la notification d'appel Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 14
Communication entre 2 mobiles (2/2) Acceptation d'appel: Lorsque le mobile reconnaît son numéro sur le canal de contrôle d'appel, il répond à la station de base associée qui relaye le message au centre de commutation. Un circuit est alors établi entre les 2 stations de base et le centre de commutation sélectionne un canal de trafic disponible dans chacune des cellules. Chaque station relaye l'information de canal au mobile concerné qui se synchronise alors sur le canal de trafic assigné Communication active: les échanges de voix et donnée se font par l'intermédiaire des stations et du centre de commutation Transfert intercellulaire: si un mobile change de zone lors d'une communication active, le réseau se charge automatiquement du transfert sans en avertir l'utilisateur et sans interrompre la communication Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 15
Autres fonctions Blocage d'appel: si tous les canaux de trafic d'une cellule sont occupés, au bout d'un certain nombre de nouvelle tentative, le signal «occupé» est retourné à l'utilisateur Terminaison d'appel: le centre de commutation est averti et les canaux de trafic sont libérés Abandon d'appel: Si pendant une communication, une station de basse ne peut maintenir le niveau de puissance du signal requis, elle abandonne le canal de trafic et en averti le centre de commutation Appel entre mobile et poste fixe: le centre de commutation fait la liaison avec le réseau téléphonique public. Il peut aussi joindre d'autre centre de commutation par l'intermédiaire du réseau téléphonique ou de lignes dédiées Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 16
Le transfert intercellulaire (1/2) Le transfert intercellulaire, appelé aussi handover, est la procédure qui prend place lorsque le contrôle d'un mobile passe d'une station de base à une autre Suivant les réseaux, différentes stratégies peuvent être prise en compte Le réseau peut seul prendre la décision du transfert ou bien le faire de concert avec le mobile Dans tous les cas, les critères suivants sont évalués probabilité de blocage d'appel: suite à une saturation de la cellule, le mobile est transféré en raison de la gestion du trafic et non pas en raison de la qualité du signal les probabilités d'abandon d'appel, de terminaison d'appel, d'échec de transfert, de blocage de transfert, de transfert débit de transfert: nombre de transfert par unité de temps durée d'interruption: intervalle de temps lors d'un transfert, pendant lequel un mobile n'est synchronisé avec aucune station de base délai de transfert: distance parcourue par un mobile à partir du point où le transfert doit se faire et celui ou il s'est fait Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 17
Le transfert intercellulaire (2/2) Le critère principal est la puissance mesuré du signal du mobile par la station de base L'instant du transfert est déterminé suivant diverses techniques puissance relative du signal puissance relative du signal avec un seuil: le signal doit être en dessous d'un seuil et l'autre signal le plus fort des 2 puissance relative du signal avec hystérésis: la puissance reçue par la nouvelle station doit être avec un écart donné avec la cellule actuelle puissance relative du signal avec hystérésis et seuil: la puissance reçue par la nouvelle station doit être d'un écart donné avec la cellule actuelle et le signal actuel doit être sous un seuil technique prédictive: basé sur les valeurs de puissance future attendue Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 18
Le contrôle de puissance La puissance du signal doit être supérieure au bruit de fond pour permettre une communication de qualité mais plus le mobile est éloigné de la station, plus le signal s'affaiblit Mais la puissance ne doit pas être trop importante afin d'éviter de perturber les canaux voisins Sur les réseaux utilisant CDMA (Code Division Multiple Access), il est souhaitable d'uniformiser les puissances des cellules afin de répartir équitablement l'allocation des fréquences aux utilisateurs Pour résoudre ces problèmes, 2 techniques sont utilisées: contrôle en boucle ouverte: dépend uniquement du mobile. La station envoie un signal (canal descendant) dit pilote et le mobile envoie un signal de puissance équivalente à la station (canal montant). Les 2 signaux montant et descendant sont alors à la même puissance contrôle en boucle fermée: ajuste la puissance en fonction de mesure prise sur la canal montant (mobile vers station), niveau de puisance, rapport signal sur bruit, taux d'erreur binaire sur la station. Celle-ci prend alors les décisions d'ajustement et les transmet via le canal de contrôle au mobile. Le mobile peut aussi donner des informations à la station et la station ajuste sa puissance de transmission Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 19
Le multiplexage CDMA Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique de multiplexage employée en conjonction avec l'étalement de spectre Soit au départ un signal qui possède un débit bianire D. Chaque bit est subdivisé en un nombre k d'intervalles appelés chips selon une séquence propre à chaque utilisateur et servant à identifier ses flux Supposons k=6 et le code utilisateur <1,-1,-1,1,-1,1>. Quand A veut émettre 1, il émet simple son code, c'est à dire 1,-1,-1,1,-1,1. S'il veut émettre 0, il émet son complément, c'est à dire -1,1,1,- 1,1,-1 Comme le récepteur connaît les codes des utilisateurs, il est alors en mesure de savoir qui a fait une transmission en effectuant simplement l'opération code reçu x code utilisateur Avec un résultat égal à 6 (ou -6), A a transmis 1 (ou 0), sinon cela ne provient pas de A Master 2 Professionnel STIC-Informatique Module RMHD 20