Réseau mobile et technologies GSM/GPRS

Historiquement, les réseaux mobiles avaient pour fonction première d’offrir un service de téléphonie

mobile uniquement. Avec l’évolution des technologies, ils permettent aujourd’hui d’établir des

connexions haut-débit mobiles et de compléter l’offre des connexions haut-débit filaires comme

l’ADSL et la fibre.

Les réseaux mobiles reposent sur le concept de « cellule » définie par « Bell Labs » dans les années 1970 [2, 3]. Ce concept consiste à diviser une zone géographique en plusieurs « cellules » et ainsi permettre de réutiliser les ressources radio pour chaque « cellule ». Concrètement, à une cellule est

associée une ressource radio qui l’est également à une autre cellule, mais cette dernière est

suffisamment éloignée de la première pour éviter toute interférence. Chaque cellule permet d’offrir un

nombre d’appels simultanés selon la technologie mobile utilisée. Ce nombre, au niveau du réseau

mobile global, peut alors être paramétré par un dimensionnement des cellules plus ou moins important selon la zone géographique à couvrir. Il s’agit de la planification des réseaux cellulaires.

Une cellule se définit par une antenne cellulaire appelée station de base (BTS) qui assure la liaison radio avec les mobiles dans sa zone de couverture. La couverture de cette BTS est limitée par plusieurs facteurs que sont la puissance d’émission, les fréquences (canaux) utilisées, le type d’antenne,

l’environnement de propagation et la technologie radio utilisée. Théoriquement, une cellule se

représente par un hexagone (cf figure 4.21). Ce motif géométrique assure ainsi un pavage complet de

effet, il peut y avoir soit des recouvrements entre des cellules, soit des zones non couvertes dites zones blanches.

Figure 4.21 : Configuration « classique » d’un réseau mobile en cellule

Dans le cas des réseaux mobiles à l’échelle d’un département, plusieurs types de cellules peuvent être

rencontrés. Ces types de cellules se définissent selon leur surface de couverture et la puissance

d’émission de la BTS. La plus importante cellule en terme de couverture est dite « macro ». Elle offre

une couverture de l’ordre de plusieurs kilomètres. La puissance des BTS est de l’ordre de 40 W (46 dBm) et les BTS sont positionnées à une hauteur supérieure aux bâtiments avoisinants. Ce type de cellule est principalement déployé dans les zones rurales et semi-urbaines où l’environnement de propagation permet une communication sans contraintes fortes du fait d’une présence de bâtiments moindre que dans les zones urbaines. Pour palier les difficultés de transmission dans les zones urbaines, des cellules appelées « micro » sont déployées dans ces zones avec des BTS de puissance de

l’ordre de 10 W (40 dBm). Elles permettent une couverture de quelques dizaines à plusieurs centaines

de mètres.

Dans un premier temps en Europe, puis dans le monde, l’essor des réseaux cellulaires a été réalisé par le déploiement de la technologie GSM (Global System for Mobile). Aujourd’hui, plus 212 pays

possèdent un réseau GSM permettant ainsi de couvrir plus de 90 % de la population mondiale [4].

Globalement le GSM permet d’offrir des services similaires au réseau de téléphonie fixe (Réseau Téléphone Commuté, RTC) de type voix et l’envoi de messages textes (Short Messages Service, en

anglais (SMS)). Il permet également des transferts de données, mais à des débits faibles.

L’allocation des ressources radio entre la BTS et l’équipement utilisateur (User Equipement, en

anglais (UE)) se fait par le biais de deux voies de communication [2, 3, 5]. En effet, une première voie

de communication dite montante (UpLink, en anglais UL) correspond à une transmission de l’UE vers

la BTS ; la seconde voie de communication dite descendante (DownLink, en anglais (DL)) correspond

à une communication de la BTS vers l’UE. Ensuite, selon la technologie, la séparation de ces deux

voies de communication peut se faire de façon fréquentielle comme temporelle. Cette séparation porte le nom de duplexage. Le duplexage fréquentiel (Frequency Division Duplex, en anglais (FDD)) correspond à une utilisation des voies montante et descendante sur deux fréquences bien distinctes. Le duplexage temporel (Time Division Duplex (TDD)) correspond à une séparation temporelle des voies montante et descendante fonctionnant sur la même fréquence. Cette technique nécessite une synchronisation temporelle entre les stations de base.

La technologie GSM repose sur une séparation des voies montante et descendante de façon fréquentielle (FDD). Aujourd’hui, en France, les bandes de fréquences destinées à ces voies sont 880- 915 MHz pour la voie montante et 935 – 960 MHz pour la voie descendante. Ces deux bandes sont divisées en 175 canaux de 200 kHz. Ces canaux sont répartis entre les différents opérateurs du pays. Pour palier les demandes croissantes de communication, la bande des 1 800 MHz a été attribuée sur le même principe que celle des 900 MHz.

L’utilisation de la technologie GSM pour la transmission de données n’est pas très adaptée car elle s’appuie sur le réseau RTC. En effet, la commutation du réseau RTC a pour conséquence de bloquer la ressource radio pour l’utilisateur durant toute la durée du transfert, et offre une vitesse de transfert très

lente non adaptée à la transmission de volumes de données importants. C’est pour répondre à cette

problématique qu’une extension a été intégrée au niveau de l’architecture GSM pour pouvoir offrir de nouveaux services de données tout en optimisant l’allocation des ressources.

Cette extension correspond à la technologie GPRS. Globalement, elle permet à l’opérateur d’offrir de

nouveaux services de données à l’utilisateur grâce à la mise en place de la notion de paquet permettant un accès à l’internet pour remplacer la liaison commutée du réseau RTC. Au niveau de l’allocation des ressources radio, le GPRS s’appuie sur le même fonctionnement que le GSM. Il utilise les mêmes

bandes de fréquences, la même modulation (Gaussian minimum Shift Keying, GMSK), et les mêmes canaux physiques. En revanche, le GPRS introduit davantage de souplesse dans la protection de la

transmission par l’emploi d’un codage canal sur la base de 4 niveaux de codage (Coding Scheme, CS),

comme indiqué dans le tableau 4.5.

Codage CS-1 CS-2 CS-3 CS-4

Débit brut pour 1 time-slot (kbits/s) 9,05 13,4 15,6 21,4 Débit brut pour 8 time-slot (kbits/s) 72,4 107,2 124,8 171,2

Tableau 4.5 : Niveau de codage et débit brut théorique de la technologie GPRS

Le choix du schéma de codage dépend de la qualité de l’environnement de propagation entre le mobile

et la BTS. Si l’environnement est très perturbé ou si l’utilisateur très éloigné de la BTS, le codage CS- 1 sera employé afin d’assurer une plus grande fiabilité de transmission mais avec un débit plutôt faible

comparé au codage CS-4 qui sera utilisé, quant à lui, dans le cas d’un environnement de propagation

optimal ou si l’utilisateur se situe à proximité de la BTS. Dans la pratique, le codage CS-2 est le plus

couramment employé.

Le point commun de ces deux technologies est de s’appuyer sur le même support de transmission pour transférer les données. Le support de transmission radio n’est pas parfait de par la présence de

plusieurs phénomènes venant perturber la propagation des ondes radios.