Description des modes de communication en téléphonie mobile. PROJET n 9 Générateur de stimuli électromagnétiques sur cellules vivantes

Description des modes de communication en téléphonie mobile PROJET n 9 Générateur de stimuli électromagnétiques sur cellules vivantes GE5 JANVIER 2009

Sommaire Sommaire... 2 1 Introduction... 3 1.1 Objectifs... 3 1.2 Champ d application... 3 1.2.1 Téléphonie mobile en France... 3 1.2.2 Nombre de mobiles en France... 3 2 Fonctionnement d un téléphone mobile... 4 2.1 Principe du réseau cellulaire... 4 2.2 Normes en vigueur... 4 2.3 Synthèse des principales caractéristiques du GSM... 4 2.4 Architecture du réseau... 5 2.5 Numérisation de la voix... 6 3 Les ondes... 7 3.1 Multiplexage fréquentiel... 8 3.2 Modulation... 8 3.3 Multiplexage temporel... 10 3.4 Transmission par ondes radio... 14 3.5 Le réseau... 15 3.6 Structure des porteuses... 15 3.7 Typologie des paquets... 18 4 Protocoles... 20 5 Puissances... 20 6 Conclusion... 22 7 Bibliographie... 22 8 Glossaire... 22

1 Introduction 1.1 Objectifs La note d application détaille un point technique précis du projet à savoir pour le projet n 9 : «Générateur de stimuli électromagnétiques sur cellules vivantes», la «Description des modes de communication en téléphonie mobile». 1.2 Champ d application Cette note décrit les modes de communication en téléphonie mobile et particulièrement selon la norme GSM. 1.2.1 Téléphonie mobile en France L Autorité de régulation des communications électroniques et des postes (ARCEP) est chargé de veiller au maintien de la concurrence dans ce secteur d'activité propice à un monopole naturel (coûts fixes liés aux réseaux élevés, coût marginal faible) ). Il y a cinq opérateurs sur le marché français, trois en métropole (Orange, Bouygues Telecom, SFR) et deux spécifiquement en France d'outre-mer (Only, Digicel). Depuis 2005, les trois réseaux physiques français sont également utilisés par des opérateurs de réseau mobile virtuel (MVNO) ; leur nombre est en forte augmentation (une douzaine en mai 2007). Aux Antilles et en Guyane sont présents trois opérateurs (Orange Caraïbe, Digicel et Only) et un opérateur de réseau mobile virtuel (Trace Mobile) utilisant le réseau de Digicel. En mai 2008, la chambre commerciale de la Cour de cassation a confirmé une condamnation des trois opérateurs de métropole à l'amende record de 442 millions d'euros pour «entente illicite» sur les prix de 2000 à 2002 [. En 2002, l'union fédérale des consommateurs - Que choisir avait initié une procédure devant le Conseil de la concurrence qui avait abouti à un procès en novembre 2005. Orange, Neuf Télécom et Only (dans les DROM) proposent des offres globales (Téléphonie fixe, mobile, Accès Internet, et TV). En France, la proportion de la population française équipée d'un téléphone portable est passée en douze ans de 3 % en 1995 à 85,6 % en décembre 2007. Le Bi-Bop a été le premier mobile en France. 1.2.2 Nombre de mobiles en France Selon l Autorité de régulation des communications électroniques et des postes (ARCEP), fin mars 2008 pour la France entière il y a 36,9 millions de consommateurs à facturation récurrente post-payées (essentiellement des forfaits) et 18,9 million de consommateurs à facturation prépayée (carte,...). En mars 2008, les opérateurs de réseau mobile virtuel (MVNO) représentaient 4,98 % des parts de marché. Page 3 sur 23

2 Fonctionnementt d un téléphone mobile 2.1 Principe du réseau cellulaire Le bon fonctionnement d un téléphone mobile est indissociable de celui du réseau de l opérateur. Le fonctionnement de l interaction entree le téléphone et le réseau est basé sur le système de maillage constitué par les antennes relais. Chaque antenne couvre une zone que l on appelle cellule (d où le nom de téléphone cellulaire parfois employé). Le téléphone signale sa présence dans une cellule à intervalles réguliers, en échange de quoi l infrastructure locale lui alloue une «place» dans l amas de fréquences disponibles. Le passage d une cellule à une autre est bien entendu assuré conjointement par le réseau et le téléphone. On désigne cette fonction par le terme de roaming (itinérant). Le maillage des opérateurs est plus ou moins fin suivant la densité constatée dans une zone géographique donnée. En ville, le maillage est plus fin car il y a une limitation du nombre de téléphones pris en charge par un relais. Le téléphone transforme la voix en champs RF qui se propagent par l intermédiaire de l antenne du téléphone jusqu à une antenne relais (station de base). Le signal est ensuite transmis par le réseau jusqu au correspondant. Chaque antenne relais couvre une portion de territoire constituant une cellule, d où le nom de téléphonie cellulaire. 2.2 Normes en vigueur Le langage utilisé pour les transmissions entre le téléphone mobile et les antennes locales peut varier. Si en Europe et en Asie c est la norme GSM qui domine, les USA utilisent le CDMA. Techniquement, les deux protocoles sont relativement différents dans leur conception, ce qui a longtemps empêché l existence de téléphones compatibles avec les réseaux des vieux et nouveauu mondes. Aujourd hui, les téléphones tribandes sont monnaie courante et le distinguo entree les deux n est plus qu un détail technologique concernant les constructeurs. Signalons qu il existe une autre norme moins répandue : le TDMA. 2.3 Synthèse des principales caractéristiques du GSM La norme GSM prévoit que la téléphonie mobile par GSM occupe deux bandes de fréquences aux alentours des 900 [MHz] : 1. la bande de fréquence 890 915 [MHz] pour les communications montantes (du mobile vers la station de base) et 2. la bande de fréquence 935 960 [MHz] pour les communications descendantes (de la station de base vers le mobile). Comme chaque canal fréquentiel utilisé pour une communicationn a une largeur de bande de 200 [khz], cela laisse la place pour 124 canaux fréquentiels à répartir entre les différents opérateurs. Mais, le nombre d utilisateurs augmentant, il s est avéré nécessaire d attribuer une bande supplémentaire aux alentours des 1800 [MHz]. On a donc porté la technologie GSM 900 [MHz] vers une bande ouverte à plus haute fréquence. C est le système DCS-1800 (Digital Communication System) dont les caractéristiques sont quasi identiques au GSM en termes de protocoles et de service. Les communications montantes se faisant alors entre 1710 et 1785 [MHz] et les communications descendantes entre 1805 et 1880 [MHz]. Page 4 sur 23

Connaissant les différents canaux disponibles, il est alors possible d effectuer un multiplexage fréquentiel, appelé Frequency Division Multiple Access (FDMA), en attribuant un certain nombre de fréquences porteuses par station de base. Un opérateur ne dédie pas pour autant une bande de fréquences par utilisateur, car cela conduirait à un gaspillage de ressources radio étant donné qu un utilisateur émet par intermittence. De plus, avec un tel système, si une source parasite émet un bruit à une fréquence bien déterminée, le signal qui se trouve dans la bande de fréquence contenant le parasite sera perturbé. Pour résoudre ces problèmes, on combine le multiplexage en fréquence à un multiplexage temporel (appelé Time Division Multiple Access ou TDMA) consistant à diviser chaque canal de communication en trames de 8 intervalles de temps (dans le cas du GSM). Je reviens sur ce point ultérieurement. Pour être complet, signalons qu il existe encore une autre technique de multiplexage appelé Code Division Multiple Access (CDMA), utilisée dans la norme américaine IS-95 ou promue pour l UMTS. Ainsi, avec le TDMA, il est par exemple possible de faire parler huit utilisateurs l un après l autre dans le même canal. On multiplie donc le nombre de canaux disponibless par unité de temps par huit. Tous les terminaux mobiles fabriqués actuellement sont compatibles avec les 2 normes; ces terminaux sont appelés bi-bandes ou dual-band. Sur le territoire des États-Unis, aucune des bandes de fréquences précitées n étaient encore disponibles. C est pourquoi le réseau à technologie GSM américain utilise des bandes autour des 1900 [MHz]. Des terminaux capables d opérer dans les trois bandes sont appelés tri-bandes. 2.4 Architecture du réseau L architecture d un réseau GSM peut être divisée en trois sous-systèmes : 1. Le sous-système radio contenant la station mobile, la station de base et son contrôleur. 2. Le sous-système réseau ou d acheminement. 3. Le sous-système opérationnel ou d exploitation et de maintenance. Les éléments de l architecture d un réseau GSM sont repris sur le schéma de la figure suivante. Page 5 sur 23

2.5 Numérisation de la voix La numérisation d un signal analogique comporte 3 phases : l échantillonnage, la quantification et le codage. L' 'échantillonnage consiste à prélever des échantillons du signal à intervalles de temps réguliers. La quantification fait correspondre une valeur à l'amplitude d'un échantillon par rapport à des valeurs étalons appelées niveaux de quantification. Le codage consiste à transmettree un flux d'informations binaires correspondant à l'échantillon représenté par un octet. Exemple : traitement d une trame de parole de 20ms Page 6 sur 23

La voix est vue comme un signal analogique téléphonique ordinaire limité à la bande [300 Hz - 3400 Hz] découpé en intervalles jointifs de 20 ms. Chaque intervalle est numérisé, comprimé par le codec de parole, protégé par le codage de canal pour aboutir à une trame codée appelée bloc, de 456 bits. Le codage canal rajoute un bit de parité et de la redondance. Le codage s effectue ici paquet par paquet. La «paquétisation» introduit un délai de 20 ms. On cherche à étaler au maximum la transmission d un paquet de parole dans le temps. La transmission s effectue dans 8 trames TDMA. Chaque demi-burst du paquet de parole i est combiné avec un demi-burst de la trame de parole i - 1 (correspondant aux 20 ms suivantes). Les bursts émis dans les slots sont donc bien complets. 3 Les ondes Les champs utilisés dans la téléphonie mobile sont standardisés selon différents systèmes en fonction des régions et des pays. En France, les 2 systèmes actuels sont le GSM 900 (fréquence porteuse entre 872 et 960 MHz) et le GSM 1800, plus récent (fréquence porteuse de 1 710 à 1 875 MHz). Le système UMTS se met progressivement en place à une fréquence autour de 1 900 MHz. Le GSM utilise la bande comprise entre 890 et 915 MHz pour les canaux montants et entre 935 et 960 MHz pour les canaux descendants. Le choix est judicieux car plus la fréquence est haute, plus les interférences sont fortes. Pour diminuer les interférences, on peut Page 7 sur 23

augmenter la puissance. Il est plus facile d'augmenter la puissance des stations de base qui sont fixes que celle des mobiles, d'où ce choix cohérent. La bande de fréquence allouée au GSM est de largeur limitée, aussi, pour optimiser le nombre de communications, il faut utiliser cette bande le plus judicieusement possible. Chaque porteuse est séparée par un écart de 200 KHz pour minimiser l'interférence inter symboles. Ainsi les 25 MHz (attribués aux canaux descendants ou des canaux montants), sont divisés en 125 porteuses dont la première est inutilisée. Les régions sont divisées en cellules auxquelles ont été attribuées plusieurs canaux (ou porteuses). Ces canaux sont attribués à la demande des mobiles pour permettre l'échange d'information entre le mobile et le réseau. Pour éviter les interférences co-canal, on ne peut pas utiliser la même fréquence sur deux cellules voisines (comme le montre le schéma ci-dessus). La définition des canaux dépend de la méthode d'accès multiple appliquée, en fréquence, en temps. Le GSM en utilise 2 : FDMA, TDMA. L'efficacité de ces méthodes diffère suivant leur utilisation et le système pris en considération. Les deux méthodes (FDMA, TDMA) présentent des avantages et des inconvénients. Le GSM combine les deux pour limiter les inconvénients. Dans un réseau GSM, deux techniques de multiplexage sont mises en œuvre : le multiplexage fréquentiel (FDMA) et le multiplexage temporel (TDMA). 3.1 Multiplexage fréquentiel Dans sa version à 900 [MHz], la norme GSM occupe deux bandes de 25 [MHz] ; l une est utilisée pour la voie montante (890, 2 915 [MHz]), l autre pour la voie descendante (935, 2 960 [MHz]). Il est également défini que chaque porteuse de cellule possède une densité spectrale confinée dans une bande de 200 [khz] ce qui signifie que, théoriquement, on peut disposer de 124 canaux. Notons au passage que la bande de fréquences du DCS-1800 étant plus large, elle peut contenir 374 canaux. Aussi, si on indique par Fu les fréquences porteuses montantes et par Fd les fréquences porteuses descendantes, les valeurs de fréquence porteuse valent : où 1 n 124. Connaissant les canaux disponibles, il est alors possible d effectuer un multiplexage fréquentiel en attribuant un certain ensemble de fréquences porteuses par opérateur GSM c est le rôle du régulateur et l opérateur choisit son plan de fréquences en allouant une ou plusieurs fréquences par station de base. 3.2 Modulation Fu(n) = 890, 2+ 0, 2 (n 1) [MHz] Fd(n) = 935, 2+ 0, 2 (n 1) [MHz] L émission d une onde électromagnétique de forme purement sinusoïdale ne permet la transmission d aucune information ; pour que ce soit possible, il faut faire varier un des paramètres caractérisant la sinusoïde ; cette sinusoïde est appelée «fréquence porteuse» ou Page 8 sur 23

simplement «porteuse». Les trois paramètres sur lesquels il est possible d agir sont : l amplitude, la fréquence ou la phase ; ce processus est appelé «modulation». La figure suivante représente les trois types de modulation dans le cas de signaux binaires (c est-à-dire 1 ou 0) ; le diagramme A de la figure est une modulation d amplitude de type «tout ou rien». La transmission du bit 0 correspond à l absence de porteuse. Inversement, le bit 1 correspond à la présence de la porteuse. N.B. : La modulation d amplitude est utilisée, depuis très longtemps, pour la transmission de signaux analogiques ; dans ce cas, l amplitude de la porteuse varie en fonction de l amplitude du signal à transmettre. Le diagramme B de la figure décrit le principe de la modulation de fréquence de type «tout ou rien» ; elle est désignée par l abréviation FSK pour «frequency shift keying». La transmission des bits 0 et 1 correspond à l émission de deux fréquences différentes. Le réseau GSM utilise la modulation GMSK (pour «gaussian minimum shift keing») qui est une forme évoluée de la modulation FSK ; elle est réalisée en faisant passer le signal binaire, avant modulation, au travers d un filtre passe-bas ; ce filtre passe-bas remplace les fronts montants et descendants par une transition progressive, ce qui diminue la largeur spectrale du signal modulé. Il en résulte que, pour un même débit binaire, la modulation GMSK a comme avantage d occuper une largeur de bande moins importante que la modulation FSK classique. Une porteuse GSM modulée occupe une largeur de 200 khz (100 khz de chaque côté de la fréquence de la porteusee non modulée). Le diagramme C de la figure correspond à la modulation de phase, donnée ici pour information. Les bits 0 et 1 sont transmis en faisant varier la phase de la porteuse. En raison de la forte variabilité de l amplitude des signaux dans un environnement mobile, on préfère recourirr à une technique de modulation angulaire pour ce type d environnement. La technique de modulation utilisée pour porter le signal à haute fréquence est la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Comme le suggère son nom, il Page 9 sur 23

s agit d une variante d une modulation MSK appartenant à la famille des modulations de fréquence (FM) numériques. On utilise la GMSK car, en raison de la transition rapide entre 2 fréquences (fc 4f et fc + 4f), la modulation par MSK aurait nécessité une trop large bande de fréquences. La modulation GMSK consiste en une modulation de fréquence à deux états portant non pas sur la séquence originale mais sur une nouvelle séquence dont le bit n est produit comme le résultat de la fonction du OU exclusif (XOR) entre le bit courant et le bit précédent. Après application du XOR, le signal est filtré. La figure suivante montre la création d un signal modulé par GMSK. Au bout du compte, il faut une largeur de 200 [khz] par fréquence porteuse. Sachant que le débit atteint 270 [kb/s], on atteint un rapport du débit à largeur de bande, appelé efficacité spectrale, proche de 1. Cettee valeur est typique pour des environnements mobiles, ce qui signifie que, pour doubler le débit, il n y a d autre solution que de doubler la largeur de bande. 3.3 Multiplexage temporel Tant pour des questions d interférences électromagnétiques que pour des raisons d augmentation de capacité, le multiplexage fréquentiel se double d un multiplexage temporel. Le multiplexage temporel consiste à diviser chaque canal de communication en 8 intervalles de temps de 0, 577 [ms] chacun. On définit dès lors une trame élémentaire de 8 intervalles pour une durée de 8 0, 577 = 4, 615 [ms]. Comme il est exclus de transmettre toutes les informations en une fois, il faut découper l information et la transmettree au moyen de plusieurs trames consécutives. La norme GSM prévoit une organisation spécifique de structure hiérarchique de trames. Cette hiérarchie est dessinée à la figure suivante. Les trames sont regroupées comme suit : 1 multitrame de type 26 = 26 trames TDMA élémentaires et 1 multitrame de type 51 = 51 trames TDMA élémentaires, 1 supertrame de type 26 = 26 multitrames et 1 supertrame de type 51 = 51 mutlitrames Page 10 sur 23

1 hypertrame = 2048 supertrames = 2.715.648 trames. Page 11 sur 23

Une liaison entre un téléphone mobile et une antenne-relais utilise deux canaux de transmission : un pour la voie montante et un pour la voie descendante. Un canal est constitué d'une onde radio (la porteuse) dont la fréquence varie dans une plage de 200 khz de largeur et pendant un huitième du temps. La figure illustre le principe utilisé : une antenne-relais transmet vers 3 téléphones mobiles, notés P1, P2 et P3, au moyen d'une porteuse dont la fréquence nominale est comprise entre 925 et 960 MHz (cas du GSM 900). Cette fréquence nominale est de 950 MHz dans l exemple de la figure. Le message binaire (constitué de 0 et de 1) module la fréquence instantanée de la porteuse dans une plage étroite centrée autour de la fréquence nominale. La porteuse ainsi modulée occupe une largeur de 200 khz comprise entre 949,,9 et 950,1 MHz. Page 12 sur 23

Durant un premier intervalle de temps T1, d'une durée de 577 µs, la porteuse est utilisée pour transmettre vers le téléphone P1 ; cet intervalle de temps est appelé «time slot» dans la terminologie GSM. Ensuite, le téléphone P2 reçoit pendant le second «time slot» T2. De la même manière, le téléphone P3 recevra les informations qui lui sont destinées pendant le troisième «time slot» T3, et ainsi de suite s'il y a d'autres téléphones mobiles dans la cellule. Une porteuse peut ainsi être partagée par 8 téléphones mobiles. A la fin du «time slot» T1, le téléphone P1 devra attendre pendant 7 «time slots» avant de recevoir à nouveau. La transmission d'un canal (c'est-à-dire une conversation) se fait donc de manière discontinue ; ce procédé est appelé «multiplexage temporel» ou encore «time division multiple access» (TDMA). Il est à noter que cette transmission «saccadée» n'est pas perceptible pour l'utilisateur, car la transmission pendant un «time slot» s'effectue à un débit 8 fois supérieur à celui correspondant à la restitution du signal, autrement dit, la transmission vers le téléphone P1 s'effectue pendant le «time slot» T1 et la restitution du signal vocal occupe 8 «time slots» (c'est-à-dire 4,615 ms). Page 13 sur 23

3.4 Transmission par ondes radio La transmission entre le téléphone mobile et la BTS utilise une onde radio ; comme toute onde électromagnétique, ellee comprend un champ électrique et un champ magnétique orientés perpendiculairement entre eux, ainsi qu à la direction de propagation, ces champs varient sinusoïdalement dans l'espace et dans le temps. Les deux composantes de l onde sont liées entre elles par la relation de proportionnalité suivante : Z = E / H où : E : intensité du champ électrique en volts/mètre (V/m) H : intensité du champ magnétique ampères par mètre (A/m) Z : impédance caractéristique du milieu où l'onde se propage en ohms (Ω) L impédance caractéristique vaut 377 Ω dans l'air, d'où : E / H = 377 Ω La densité de puissance S d'une onde plane (en W/m²) est définie comme étant la puissance qui traverse une surface de 1 m² perpendiculaire à la direction de propagation ; elle est donnée par : S = E. H Page 14 sur 23

Compte tenu de la relation (2), lorsque l'onde se propage dans l'air, on peut écrire que : S = E²/377 = 377 H Comme la puissance est transportée dans la direction de propagation, on peut représenter le flux de puissance par un vecteur S pointant dans cette direction : il est appelé vecteur de Poynting. En principe, ces relations ne sont valables que pour une onde plane, c'est-à-dire lorsqu on est suffisamment loin de la source d émission. Dans cette zone, la connaissance d'une des trois grandeurs (E, H ou S) permet, par simple calcul, de déterminer les autres grandeurs. 3.5 Le réseau La téléphonie mobile est fondée sur la radiotéléphonie, c'est-à-dire la transmission de la voix à l'aide d'onde radioélectrique (fréquences dans la bande des 900 et 1 800 MHz) entre une base relais qui couvre une zone de plusieurs dizaines de kilomètres de rayon et le téléphone mobile de l'utilisateur. Les premiers systèmes mobiles fonctionnaient en mode analogique. Les terminaux étaient de taille importante, seulement utilisable dans les automobiles où ils occupaient une partie du coffre et profitaient de l'alimentation électrique du véhicule. Les systèmes mobiles actuels fonctionnent en mode numérique : la voix est échantillonnée, numérisée et transmise sous forme de bits, puis re-synthétisée au niveau de la réception. Les progrès de la microélectronique ont permis de réduire la taille des téléphones mobiles à un format de poche. Les bases de transmission sont réparties sur le territoire selon un schéma de cellules. Chaque base utilise un groupe de fréquences différent de ses voisines. Les mêmes fréquences ne sont réutilisées qu'à une distance suffisante afin ne pas créer d'interférences. Les systèmes mobiles sont standardisés pour être compatibles entre les réseaux des différents pays et s'interconnecter avec les réseaux de téléphonie fixe. Il existe dans le monde deux grands standards de systèmes mobiles, le standard IS41 d'origine américaine (norme ANSI-41) et le standard GSM, défini dans l'europe par l'etsi, le plus répandu. Pour savoir sur quelle base diriger un appel entrant, le réseau mobile échange périodiquement avec les téléphones mobiles des informations sous forme de messages de signalisation. 3.6 Structure des porteuses Les données de paroles à transmettre permettent d'analyser et de reconstruire un signal de durée 20 ms. Toutefois ces données sont réparties sur huit trames, donc sur 40 ms, ce qui conduit à un retard supplémentaire de 20 ms pour la reconstruction du signal vocal par le récepteur. Pour augmenter le nombre de canaux de communication on utilise 2 techniques Simultanément: AMRT: le multiplexage temporel, Accès Multiple à Répartition dans le Page 15 sur 23

Temps. Une trame de 4,615 ms est divisée en 8 intervalles de temps égaux de 577 µs, soit 156,25 bit/s. Chaque intervalle respectif de chaque trame constituera 1 canal. On peut ainsi faire passer 8 communications différentes. AMRF: le multiplexage fréquentiel, Accès Multiple à Répartition de fréquence. Les bandes utilisées dans le sens fixe/ /mobile et mobile/fixe sont divisées en 124 sous-bandes, correspondant aux 124 fréquences centrales des 124 canaux de communications simultanées de 200 khz de largeur chacun. Ce qui nous donne donc 1 fréquence centrale et 7 sous- Cela veut dire porteuses différentes, dans un sens et dans l'autre, détail qui a son importance. en effet que l'infrastructure GSM fonctionne en réalité en mode pulsé modulé, puisque pour chaque canal de communication nous utilisons en réalité un cycle de 8 fréquences dans un sens et dans l'autre. 3.7 ORGANISATION DES TRAMES Le découpage est le suivant: 1 trame = 8 IT de 577 µs multitrame 26 : 26 trames de 4,615 ms multitrame 51 : 51 trames supertrame 26 : 26 multitrames 51 = 1326 trames supertrame 51 : 51 multitrames 26 = 1326 trames hypertrame : 2048 supertramess = 2.715.648 trames = 03 h 28 mn 53 s 760 ms 216,68 trames x 8 IT de 577 µs = 1733,47 IT ou impulsions par seconde (d'une durée de 577 µs) ou changements de fréquence par seconde. Cela veut dire qu'en réalité, on change environ 1733 fois de fréquence par seconde, et que nous avons 8 fréquences différentes, que l'on peut qualifier de pulsées, émises chacune 216,68 fois dans la même seconde. Ce qui veut dire qu'un simple générateur UHF réglé sur 217 Hz ne permet pas de simuler une émission GSM. Il faut donc des générateurs ou des bancs de mesure GSM qui permettent de simuler le changement de fréquence 1733 fois par seconde sur 8 fréquences, pour être dans la réalité. Chaque fréquence va occuper 1/8 de temps dans une seconde. La porteuse contenue dans un canal est divisée en temps dont la plus petite unité est le slot. Huit slots consécutifs forment une trame qui va se répéter. Le premier slot d une trame est réservée, les autres contiennent des bursts. Un burst est l informationn contenue dans un slot. Ces sept slots sont attribués par le BTS à sept utilisateurs différents. Page 16 sur 23

Paquets de données : Les données sont transmises par paquets, chaque fréquence porteuse transmettant huit communications. Pour ce multiplexage, il y a un entrelacement temporel, chacun des mobiles ayant les informations nécessaires pour se synchroniser avec la station de base: émettre les données à l'instant prévu pour lui dans ce train de données et pour extraire du train de données celles qui lui sont destinées. Lors de cette synchronisation un mobile éloigné de la station de base avance son instant d'émission en tenant compte de la vitesse de propagation des ondes de sorte que les données qu'il émet, arrive au moment approprié à l'antenne de la station de base, sinon il y aurait chevauchement avec les données émises par les autres mobiles. Composition d'un slot. Entre deux slots, il y a des intervalles où les spécifications des temps de montée et de descente des signaux sont précisées. Les trois premiers et les trois derniers bits du slot servent à la synchronisation. Il y a é x 58 bits de données utiles dans chaque slot. Les 26 bits du milieu sont une séquence pseudo-aléatoire connue du récepteur permettant de réduire les déformations du canal de transmission. Il y a différentes formes d'organisation d'un paquet de données; nous nous contenterons de décrire la forme de base utilisée dans le cas de la transmission de signal vocal. La transmission d'un bit dure 3.7 µs. Les données transmises sont regroupées en «slots» dont la taille est de 156 bits: un slot dure 0.578 ms. Les slots sont groupés par huit en trames de durée 4.616 ms. La communication avec un mobile correspond à un de ces huit slots, les autres étant utilisés pour les communications de la station de base avec les autres mobiles. Composition d une trame de huit slots : Principe de base : La transmission se fait de façon discontinue, par exemple pour 8 ITs, le mobile émet pendant le slot 1, attend pendant le slot 2 (utilisé par un autre utilisateur), reçoit sur le slot 3 (sur le canal descendant) et attend jusqu au slot 1 de la trame suivante. Cela a pour conséquence que le débit binaire n'est pas égal au débit de chaque communication. Le débit canal doit être plus rapide d'un facteur au moins égal au nombre d'intervalles de temps. Exemple: si N=8 slots, un mobile émet de la parole à un débit de 13Kb/s, alors d=16kb/s (avec entête) dans le slot 1 de la trame. Le débit de transmission doit donc être au moins de Page 17 sur 23

D=8*16=128Kb/s pendant le slot 1. En veille ou en communication, un mobile travaille toujours avec plusieurs canaux logiques. Utiliser un canal physique pour chacune de ces tâches, ce serait gâcher de la ressource radio puisque les différents canaux ne nécessitent pas un débit comparable à celui de la parole codée. Sur son canal physique, le mobile va donc trouver un multiplex de canaux logiques correspondant à son activité. La norme GSM impose l'organisation du transport des slots sous forme d'une structure à 4 niveaux hiérarchiques de trames : La trame TDMA : 8 slots, Ttdma = 4,615 ms La multitrame : de 2 types possibles suivant le type de canaux à transporter Multitrame à 26 : 26 trames TDMA, Durée = 120 ms (canaux de trafic et de contrôle) et Multitrame à 51 : 51 trames TDMA, Durée = 235,365 ms (pour les contrôles). 3.8 Typologie des paquets Chaque trame consiste en un certain nombre de bits. Ces bits sont organisés suivant une structure qui diffère en fonction du protocole applicatif mis en œuvre pour chaque slot mais aussi de l état intermédiaire du protocole considéré. La durée d un paquet (0, 577 [ms]) correspond à l émission de 156, 25 bits, dont 114 bits de message net. En admettant que les slots se suivent sans interruption, un simple calcul (156,25 / 0,577 10 3 ) montre que le débit maximum vaut 270 [kb/s]. En pratique, le débit maximum utile (en mode full-rate) ne dépasse pas 13 [kb/s] en raison des bits nécessaires à la correction d erreurs. Pour la transmission des données, cette limite descend même à 9, 6 [kb/s] en raison de la surprotection nécessaire à la garantie d un taux d erreur acceptable. La norme définit 5 types de paquets fonctionnels, appelés bursts dans la terminologie GSM : 1. Les bursts d accès qui sont envoyés par les mobiles lorsqu ils veulent entrer en contact avec le réseau. 2. Les bursts de synchronisation qui contiennent les informations sur la localisation et les fréquences utilisées. 3. Les bursts normaux qui transportent les messages. 4. Les bursts de correction de fréquence. 5. Les bursts de bourrage (dummy packet) qui sont placés dans les espaces vides si aucune donnée ne doit être envoyée. Pour être précis, ce burst est composé de 2 salves de 58 bits préfixés interrompus par une séquence d entraînement de 26 bits. Tous les types de burst ont une forme semblable. Ils sont composés, dans l ordre, de : bits d en-tête (tail bit, TB), nécessaires à la synchronisation. Ils correspondent toujours au code 000 sauf pour les bursts d accès. 148 bits utiles dont le format dépend du type de burst. bits de fin, aussi appelés tail bit, terminés par une période temporelle de garde requise pour permettre à l émetteur de réduire sa puissance de 70 [db]. Elle sert aussi à compenser la durée de transmission qui est variable pour la réception d un paquet au suivant si le mobile a bougé. La structure des 5 types de burst est représentée à la figure suivante : Page 18 sur 23

La figure suivante présente le format des bits transmis pendant un «time slot». Il comprend un train de 148 bit d'une durée de 3,7 µs, ce qui correspond à 547,6 µs. Ce train de 148 bit est appelé «burst» ; il comporte : - 2 séries de 58 bit contenant l information utile (voix numérisée ou données) ; - 2 séries de 3 bit de synchronisation en début et en fin de «time slot» ; - 1 séquence de 26 bit fixes (connus du téléphone mobile et de la BTS) sont utilisés pour corriger l altération des signaux due aux trajets multiples (voir 13). La durée d'un «time slot» étant de 577 µs, le train de 148 bit est en fait suivi d'une interruption de la transmissionn (appelée «Guard period»), d'une durée de 29,4 µs, et dont le but est de séparer le contenu de 2 «time slots» successifs. Page 19 sur 23

3.9 Protocoles Au niveau applicatif, on distingue les protocoles suivants qui, au travers de différents éléments du réseau, relient un mobile à un centre de communication (MSC) : 1. Le protocole Call Control (CC) prend en charge le traitement des appels tels que l établissement, la terminaisonn et la supervision. 2. Le protocole Short Message Service (SMS) qui permet l envoi de courts messages au départ d un mobile. La longueur d un SMS est limitée à 160 caractères de 7 bits, soit 140 bytes. 3. Le protocole Supplementary Services (SS) prend en charge les compléments de services. La liste de ces services est longue mais, à titre d exemple, citons le Calling Line Identification Presentation (CLIP), le Calling Line Identification Restriction (CLIR) et le Call Forwarding Unconditional (CFU). 4. Le protocole Mobility Management (MM) gère l identification, l authentification sur le réseau et la localisation d un terminal. Cette application se trouve dans le sous-réseau de commutation (NSS) et dans le mobile car ils doivent tous deux connaître la position du mobile dans le réseau. 5. Le protocole Radio Ressource management (RR) s occupe de la liaison radio. Il interconnecte une BTS et un BSC car ce dernier gère l attribution des fréquences radio dans une zone. Les trois premiers protocoles applicatifs précités (CC, SMS et SS) ne sont implémentés que dans les terminaux mobiles et les commutateurs ; leurs messages voyagent de façon transparente à travers le BSC et le BTS. 4 Puissances La puissance d émission des téléphones est limitée au maximum à 2W pour le GSM 900 et 1 W pour le GSM 1800. Cette puissance est de plus régulée en fonction de la distance à l antenne relais : elle est inversement proportionnelle à la qualité de la communication (250 mw à plusieurs km de l antenne, 10 mw ou moins à proximité). Page 20 sur 23

Lors de la connexion de l utilisateur du mobile avec son correspondant, la puissance émise est ajustée à un niveau élevé permettant d avoir une communication immédiate optimale, puis le contrôle de puissance la réduit par paliers en quelques secondes, jusqu à se stabiliser au niveau minimum compatible avec une bonne qualité de la communication. Le déplacement de l utilisateur provoque la prise de relais successifs par plusieurs stations de base, chacune démarrant sa communication à un niveau élevéé puis diminuant sa puissance. C est donc lors de l utilisation d un mobile en situation de déplacement que l exposition aux RF est la plus élevée ou bien lors d une conversation dans un lieu de médiocre réception qui astreint l antenne relais et le mobile à rester à des niveaux de puissance élevés. La puissance d émission d un mobile est nettement inférieure à celle d une station de base. Cependant le téléphone n étant qu à quelques millimètres de l oreille, la puissance absorbée par l organisme lors d une conversation est beaucoup plus importante que celle due à une station de base, même la plus puissante. Les normes GSM 900 et DCS 1800 fixent les puissances de sorties des téléphones mobiles et des BTS. Il existe toutefois plusieurs classes d équipements auxquelles correspond une puissance nominale. Dans le cas des téléphones GSM 900, la classe 4 est la plus courante; sa puissance instantanée maximale est de 2 W pendant la durée d'un «time slot». Comme le mobile n'émet que pendant 1 «time slot» sur 8, la puissance moyenne maximale est donc de 0,25 W (2 W divisés par 8). Il faut également préciser qu'il s'agit de valeurs maximales (pour la classe 4), car le mobile règle automatiquement sa puissance en fonction de la qualité de la liaison avec la BTS. Par exemple, si le mobile est proche, une puissance nettement inférieure à 2 W sera suffisante pour assurer une transmission de qualité. Inversement, s'il est très éloigné, ou s'il se trouve dans un milieu clos (dans un bâtiment, en sous-sol, dans un véhicule, ), le téléphone augmentera progressivement sa puissance pour atteindre, si nécessaire, la valeur instantanée de 2 W. La plage de variation de la puissance instantanée d'un téléphone de classe 4 s étend de 20 mw à 2 W ; ce mécanisme est appelé «contrôle automatique de la puissance» ou «power control». Page 21 sur 23

D'autre part, l'arrêt de la transmission pendant les périodes de silence (fonction «discontinuous transmission») contribue également à réduire la puissance moyenne qu émet un téléphone mobile. Les téléphones GSM 900 et DCS 1800 fonctionnent de manière identique, mais les puissances sont inférieures dans le second cas. Pour les téléphones DCS 1800 de classe 1, qui sont les plus répandus, la puissance instantanée maximale est de 1 W. 5 Conclusion Dans l éventualité d une reprise de notre projet, cette note d application décrit de manière plus précise les modes de communication des téléphones portables. Cependant, il apparaît clairement que notre produit tel qu il existe actuellement ne peut pas simuler une communication de téléphonie mobile de part la rapidité et la complexité de simulation de celle-ci. Si le projet doit être repris VCO apparaissent, après test, 6 Bibliographie Internet : http://www.alyon.org/perso/mg2/tel.htm http://www.sante-environnement-travail.fr/minisite.php3?id_rubrique=877&id d_article=2829 http://fr.wikipedia.org/wiki/op%c3%a9rateur_mobile Littérature : G. Heine. GSM networks : protocols, terminology, and implementation. Artech House, 1999. X. Lagrange, P. Godlewski, et S. Tabbane. Réseaux GSM-DCS. Hermès, troisième edition, 1997. J. Tisal. Le réseau GSM. L évolution GPRS : une étape vers UMTS. Dunod, troisième edition, 1999. B. Walke. Mobile Radio Networks : networking, protocols and traffic performance. JohnWiley & Sons, 2002. S. REDL, M. WEBER, M. OLIPHANT - An Introduction to GSM - Artech House Publishers - 1995. 7 Glossaire BSC : Base Station Controller. Station qui contrôle les communications d un groupe de cellules dans un réseau de communications GSM. Elle concentre le trafic de plusieurs BTS. BTS : Base Transceiver Station. Station de base d un réseau GSM. Elle permet notamment d émettre et de recevoir un signal radio. Burst : Information contenue dans un slot. dans ce sens, il faudra repenser le système de commande car les comme d excellents générateurs de fonction. Page 22 sur 23

Canaux descendants : Canaux portant les communications de la station de base vers le mobile. Canaux montants : Canaux (Reverse link ou uplink). portant les communications du mobile vers la station de base FDMA : Frequency Division Multiple Access. Technique de répartition de ressources par multiplexage fréquentiel. Cettee technique prévoit un mécanisme d accès aux ressources. FSK : Frequency Shift Keying. Modulation du signal en fréquence. GMSK : Gaussian Minimumm Shift Keying. Nom de la technique de modulation numérique utilisée pour la transmission radio des mobiles GSM. GSM : Global System for Mobile Communications. Standard de téléphonie mobile adopté en Europe, en Asie et en Australie. Porteuse : Fréquence à laquelle une information usager/système va être transmise. TDMA : Time Division Multiple Access. Technique de répartition multiplexage temporel. Cette technique prévoit un mécanisme d accès. de ressources par UMTS : Universal Mobile Telecommunications System. Nom du standard de téléphonie mobile de troisième générationn pour l Europe. XOR : exclusive OR. Fonction logique du OU exclusif. Le résultat de la fonction vaut 0 si les deux états sont à 0 ou à 1. Il vaut 1 dans les autres cas. Page 23 sur 23