Une séquence de cours pour parler du GSM.
Yves Delhaye 30 septembre 2012
Figure 1 – Le logo officiel
Résumé
Suite à une demande de Jean-Marie Falisse lors de la réunion IRPHY du 9 mai 2012, j’explique ici comment j’organise ma séquence de cours pour répondre à la question des élèves (et aux sous-questions) :
”Comment mon GSM me permet-il de parler avec quelqu’un à l’autre bout de la planète ? Il y a plusieurs GSM sur la même antenne. Comment la liaison se fait elle avec mon GSM et pas un autre ?”
Je vais plus loin, puisque je m’efforce aussi ici de donner une explication “globale” sur le principe d’une communication “GSM”. Cette explication dépasse largement la matière du cours mais donne du contexte et permet de faire des liens avec d’autres sujets du cours.
Sommaire
1 Prérequis 2
1.1 Prérequis physiques . . . 2
1.2 Le numérique. . . 2
2 Le GSM 5 2.1 Un petit ordinateur . . . 5
2.2 Une entrée-sortie particulière : la radio . . . 5
2.3 Historique du gsm . . . 5
2.4 Technologie GSM . . . 9
3 En guise de conclusion 14
Bibliographie et webographie 15
Table des matières 16
Introduction
Contexte.
Ce sujet est traité avec une classe de 6ème technique de qualification ”animateur social” dans le cadre d’un cours de ”sciences et technologies” de deux heures par semaine. Il ne s’agit pas de former des futurs ingénieurs en ”télécom”, mais d’encourager une ”culture générale scientifique”.
J’insiste, quand j’enseigne tous ces sujets, sur le fait qu’il ne m’est pas possible, dans le cadre de ces cours, d’être exhaustif. Je fais des raccourcis et des simplifications selon des choix qui sont peut-être discutables. Ainsi, il n’est pas question de parler de ”multiplexage”. Ces choix correspondent à mon expérience avec ce public particulier.
1 Prérequis
Il y a deux types de prérequis : – physiques,
– mathématiques.
1.1 Prérequis physiques
Avant d’aborder le numérique, quelques notions de physiques sont nécessaires.
1.1.1 Énergie
Utile pour aborder le sujet suivant où l’énergie de la lumière est associée à sa fréquence.
1.1.2 Les ondes
Une vidéo de ”C’est pas sorcier !” sur le laser est montrée aux élèves. des notions de base des ondes sont ainsi introduites : ”longueur d’onde, fréquence, ...”.
1.1.3 Le son
Mes élèves font des stages d’animation dans des maisons de retraites. Le problème de la surdité sert à discuter les différentes limites de l’audition et à approfondir les notions des ondes :
”fréquence, amplitude, élongation et forme des ondes”.
C’est l’occasion, ici, de discuter la résonnance : faire sonner un diapason en face d’un autre...
Il sera alors facile plus tard d’expliquer la radio !
1.2 Le numérique
Il s’agit encore d’un prérequis important. C’est pourquoi j’ai tenu à lui consacrer un sujet ”à part”.
1.2.1 Problème de l’analogique
Un premier texte est résumé et discuté : Le problème de la dégradation de l’information lors de copies multiples est mis en avant.
1.2.2 Codes détecteurs d’erreurs La solution
Dans le texte précédent, le numérique a été présenté comme la solution à la perte d’infor- mation lors des copies. Ici, nous abordons le comment.
Un exemple de détection d’erreur
La possibilité de détecter une erreur lorsqu’on introduit son numéro de compte dans un
“pc-banking” est discutée : Ceci concerne les “anciens” numéros de compte bancaire. Le système européen reste compatible pour les 12 derniers chiffres. Les deux derniers chiffres du numéro de compte sont le reste de la division “euclidienne” du nombre constitué des autres chiffres par 97. Exemple : mon numéro de compte est le “001-1625651-07”
11625651 = 119852×97 + 7
97 est le plus grand nombre premier de deux chiffres : il faut faire au moins deux fautes de frappe pour qu’une erreur puisse être considérée comme valide et la probabilité que cette séquence d’erreurs soit détectée est proche de 99 pour cents. Ces arguments servent à justifier l’utilisation du numérique.
1.2.3 Le binaire
Les élèves savent, en général, que le ”language” de base des ordinateurs est le binaire.
À ce stade, je leur fais lire et résumer un texte sur les codes ascii et utf8. Ils acquièrent ainsi la notion d’encodage. L’analogie avec le code morse est toujours parlante.
Nous expliquons la différence entre chiffre et nombre en base 10.
un nombre en base 10
1962 = 1×103+ 9×102+ 6×101+ 2×100
Chiffre binaire : bit // nombre binaire : octet ou byte Nous traduisons alors un nombre binaire en nombre en base 10 selon cette même logique :
un nombre en base 2 et conversion
10010101 = 1×27+ 0×26+ 0×25+ 1×24+ 0×23+ 1×22+ 0×21+ 1×20
= 128 + 0 + 0 + 16 + 0 + 4 + 0 + 1
= 149
Je ne discute pas les notions de ”big-endians” et ”little-endians”.
Conversion vers la base 2
La conversion d’un nombre en base 10 vers la base 2 est juste expliquée mais pas justifiée : Il faut diviser le nombre par 2, écrire le reste et répéter l’opération.
Dividende quotient reste
149 74 1
74 37 0
37 18 1
18 9 0
9 4 1
4 2 0
2 1 0
1 0 1
La lecture de la dernière colonne du bas vers le haut fournit le nombre binaire : 10010101
1.2.4 Numérisation du son
La production du fichier mp3 à partir du son justifie les ”gymnastiques” précédentes.
Étapes de production d’un fichier mp3 1. Acquisition
2. échantillonnage dans le temps (ou en fréquence) 3. échantillonnage en amplitude (ou en élongation) 4. compression1
5. (enregistrement)
Le choix de la fréquence d’échantillonnage en fonction de la limite supérieure en fréquence pour l’oreille humaine devient ainsi presque évident.
La numérisation de l’image est aussi traitée.
1.2.5 Les ordinateurs
Les ordinateurs sont vus comme des machines numériques généralistes : il faut les pro- grammer.
La structure des ordinateurs est abordée :
Structure générale d’un ordinateur – Modules d’entrées/sorties,
– mémoires de travail et de stockage, – CPU,
– (les bus),
– les programmes (système et utilisateur).
Des démonstrations de programmes (en python) permettent facilement de ”lier la sauce”.
Python a une syntaxe suffisement claire que pour être lue par des élèves non ”mathématico- scientifiques”.
L’endroit est bien choisi pour parler des réseaux et de leur nature. L’analogie entre bus informa- tiques et ”transports en communs” va être utile plus tard2.
1. C’est une notion clé. voir2.4.7p.13 2. Pour éclairer le ”multiplexage”.
2 Le GSM
Finalement ! Ici aussi, des articles de revue du type ”Sciences & Vie Junior” sont donnés à lire.
2.1 Un petit ordinateur
Avec la généralisation des smartphones cette notion est beaucoup plus évidente à faire pas- ser qu’il y a quelques années.
2.2 Une entrée-sortie particulière : la radio
L’antenne radio d’un gsm est l’équivalent du wifi ou de la carte réseau d’un ordinateur
”classique”. Les communications sont numériques et, rappelons le, pas analogiques ! C’est ici que les préconceptions sont les plus marquées : Le GSM est souvent vu3 : – comme un walkie-talkie (point à point)
– ou ayant des liaisons par satellites.
2.3 Historique du gsm
Dans le grand nord !
Un rappel historique, présent dans les documents donnés aux élèves, est plus qu’utile. La nécessité de communications sans fil est criante dans des pays où la densité de population est faible. Si de plus ces pays sont fortement développés et industrialisés, l’absence de connexions devient vite insupportable. L’origine nordique des deux grands constructeurs historiques de GSM n’est donc pas un hasard.
– NOKIA (finlandais), – ERICSON (suédois).
2.3.1 La Radio
Commençons par le début : la radio.
Les communications se font dans un seul sens. La portée des ondes radios est le facteur limitant.
On dira que la communication est – simplex.
Problèmes et solutions
– La portée : on peut utiliser des relais.
– Le nombre de fréquences disponibles est limité : Il existe un ”plan de fréquences”.
– Tout le monde peut écouter. On peut employer un code secret : ”Les sanglots longs des violons d’automne...”
2.3.2 Walkie-Talkie Aux origines.
Les communications se font de point à point, dans deux sens mais ”un à la fois”. La portée des ondes radios est toujours un facteur limitant.
Non seulement le matériel doit être assez puissant, mais le relief peut intercepter les ondes4.
3. Merci à Renaud Herne pour ses conseils.
4. C’est le moment de parler de diffraction si cela n’a pas déjà été fait.
Figure 2 – Une communication Walkie-Talkie
Un peu de vocabulaire
Les communications de type“ Walkie-Talkie” sont : – point à point,
– half-duplex.
Figure 3 – Le half-duplex c’est ”un à la fois”.
Problèmes et solutions
Les problèmes et solutions restent à peu près les mêmes.
– Portée, nombre de fréquences, possibilité d’ écoute...
– Le half-duplex : il faut attendre.
– solution : Le full-duplex. Mais il faut deux fréquences.
Figure 4 – Le full-duplex demande deux fréquences.
2.3.3 Téléphonie mobile : Génération zéro Du temps des dinosaures
La génération ”zéro” des téléphones mobiles était : – analogique,
– duplex,
– encombrant et lourd, – cher,
– de portée limitée,
– perdait souvent le réseau...
– qui était d’ailleurs peu étendu.
Figure 5 – Un téléphone mobile de génération ”zéro”
La portée des antennes étaient de l’ordre d’une vingtaine de kilomètres.
La téléphonie mobile, c’est la radio + l’opératrice
Problèmes et solutions
– Portée et nombre de fréquences : Ici, on fait un compromis : une portée limitée permet de réutiliser les fréquences.
– possibilité d’ écoute : Ici, en plus, on peut ”voler” les informations de facturation et faire payer par quelqu’un d’autre ses communications.
Figure 6 – Hallo, Qui est à l’appareil ?
– Les phénomènes d’ écho des ondes courtes sur les bâtiments.
– Il existe une multitude de ”standards” tous incompatibles entre eux.
2.3.4 Téléphonie mobile : Génération un Plus petits, plus fiables ET moins chers
C’est quand les téléphones mobiles sont devenus numériques qu’ils sont devenus plus petits et plus fiables mais aussi moins chers.
La génération ”un” des téléphones mobiles était multiple.
Groupe Spécial Mobile
En 1982, le ”Groupe Spécial Mobile” est formé pour remédier aux défauts de la génération
”zéro”. La norme ”GSM” est une norme adoptée uniformément en Europe. ”GSM” devient ”Global System for Mobile communication”. Ils existaient d’autres normes, par exemple au U.S.A.
2.4 Technologie GSM
Pour comprendre, suivons une communication GSM.
2.4.1 Liaison avec le réseau de l’opérateur Plan général
Figure 7 – Structure des réseaux GSM (avec GPRS)
Une structure en arbre relie les antennes entre elles via des centrales qui sont des nœuds de communication de plus en plus denses.
Le ”terminal mobile”, que j’appellerai le ”GSM” par facilité, se connecte à une antenne (BTS ou Base Station). Cette antenne et ses voisines sont connectée à un contrôleur (BSC ou Base Station Controler) qui coordonne leurs activités.
Les différents BSC sont eux-mêmes connectés au MSC ou Mobile Services Center qui les coor- donnent. C’est le ”central” de l’opérateur de téléphonie mobile. C’est à ce niveau, dans le NSS (le réseau ”interne” de l’opérateur), que la facturation (via le HLR) et la connexion aux autres réseaux se fait.
Une communication va donc passer tous ces niveaux pour les reparcourir en sens inverse, éven- tuellement chez un autre opérateur, pour arriver au GSM du destinataire. Les connexions entre nœuds se font par fibre optique. Les protocoles de communication entre BTS, BSC et MSC sont soit de l’ ”ATM” ou de l’”ethernet”. L’ ethernet tend d’ailleurs a remplacer l’ ATM.
2.4.2 Le terminal mobile ou GSM Anatomie d’un GSM
Pour ne pas tout embrouiller, je parlerai de la carte SIM (et de l’IMEI) plus tard. Il s’agit de technologies d’authentification de l’appareil et de l’utilisateur. Pour faire court, il faut faire appel à des bases de données qui sont de l’ordre du ”bottin téléphonique”. Diverses fonctionnalités sont ainsi remplies : le suivi de l’appareil sur le réseau, la facturation, l’ établissement du lien entre l’appareil et un numéro de téléphone. Lorsque je compose un numéro sur le clavier ou que je charge un tel numéro dans mes contacts, La requête va remonter jusqu’au HLR de l’opérateur.
La requête va, soit redescendre vers le GSM de mon correspondant s’il est chez le même ”provi- der”/opérateur, soit être transmise à un autre opérateur qui va devoir lui se charger d’établir la connexion avec le GSM de mon correspondant. Si je dois transmettre du texte ou de la voix, ces données doivent être ”digitalisées”, chacune selon la méthode appropriée. dans le cas du micro , le son est digitalisé par un ”chip” dédié. Celui convertit le signal digital vers de l’analogique pour le haut-parleur dans l’autre sens. Le GSM est un petit ordinateur5. Le signal digital est envoyé vers l’ émetteur-récepteur radio.
5. Un smartphone basique à 100 Euros est plus puissant qu’un CRAY de notre jeune temps.
Figure 8 – Le schéma interne d’un GSM
2.4.3 Hautes fréquences Ondes courtes
Pour transmettre beaucoup d’information, plus la fréquence de l’onde porteuse est élevée, mieux c’est : les GSM utilisent des ondes de types radios ”ultra-courtes”.
Les fréquences du GSM sont respectivement : – 900 MHz
– et 1800 MHz
... càd. de l’ordre du GHz. Ceci participe de la nécessité d’avoir beaucoup d’antennes : les ondes courtes ne sont pas diffractées par des obstacles de l’ordre du mètre comme les maisons ! On est alors dans le domaine des micro-ondes. Ceci peut alimenter un débat sur les risques pour la santé.
2 bandes de fréquences par opérateur
Chaque opérateur reçoit 2 bandes de fréquence autour de ces 2 fréquences principales.
Ces bandes font 25 MHz de large.
– Une pour les communications du GSM vers l’antenne, – l’autre pour les communications de l’antenne vers le GSM.
2.4.4 Les antennes
Beaucoup d’appelés, beaucoup d’élus !
Comment rendre possible beaucoup d’appels simultanés avec peu de fréquences. C’est ce que nous allons traiter dans cette ”section” et quelques suivantes.
Cellules
La zone couverte par une antenne s’appelle la cellule.
Dans des zones très peu peuplées, une cellule peut faire jusqu’à 20 km de diamètre. On parle alors d’ hyper-celles. En général, une cellule fait entre 50 et 300 m de diamètre. Des cellules allongées peuvent être réalisées avec des antennes très directionnelles pour desservir des tunnels, des lignes de train ou d’autoroutes.
Figure 9 – Différents types de cellule sont possibles.
2.4.5 Multiplexage FDMA et TDMA
Plusieurs GSM doivent pouvoir se connecter à une même antenne.
Deux techniques de multiplexage sont utilisées : 1. le FDMA pour Frequency Division Multiple Access.
2. Le Time division multiple access (TDMA),
FDMA : Fréquences et cellules
Il y aura une répartition des fréquences par cellules pour qu’il n’y ait pas d’interférences : 8 bandes de fréquence de 200 kHz chacune.
Figure 10 – Un exemple de répartition de fréquences sur les cellules.
Un mât, trois cellules, huit fréquences
Un mât peut supporter une antenne omnidirectionnelle. Il sera alors placé au milieu de la cellule.
Un mât peut aussi supporter trois antennes directionnelles. Il sera alors placé au point de
Figure 11 – Un mât pour trois cellules.
contact de ces trois cellules.
TDMA : 8 intervalles de temps (time slot)/cellule
Le Time division multiple access (TDMA) est un mode de multiplexage permettant de trans- mettre plusieurs signaux sur un seul canal. Il s’agit du multiplexage temporel, dont le principe est de découper le temps disponible entre les différentes connexions (utilisateurs). Par ce moyen, une fréquence peut être utilisée par plusieurs abonnés simultanément.Chaque porteuse (canal physique) supporte huit intervalles de temps (time slot) attribués à huit communications simulta- nées. Un inconvénient de cette technique est qu’il faut transmettre une synchronisation (horloge) qui soit la meilleure possible pour que chaque utilisateur puisse récupérer ses données.6
Figure 12 – Les multiplexages FDMA et TDMA
6. Wikipédia : Accès multiple à répartition dans le temps
2.4.6 Communication par paquets Paquets, encapsulation, ...
La connexion du GSM à une antenne se fait par paquets. La communication par paquets est numérique : Ce sont des suites de ”0” et de ”1”.
Un paquet fait : 1. 57 bits de données, 2. 26 bits de ”training”
3. et encore 57 bits de données.
Les 26 bits de training servent à contourner un gros problème de la génération ”zéro” : les interférences dues aux échos des obstacles. Les 26 bits de ”training” sont connus à l’avance. En comparant le signal sensé être reçu au signal effectivement reçu, on peut déduire les 57 bits de données envoyés de ceux effectivement reçus.
La structure des paquets obéit à des normes.
La notion d’encapsulation est essentielle.
Toute la communication à l’intérieur des réseaux des opérateurs se fait aussi par paquets mais selon d’autres normes que celles qui régissent la liaison entre GSM et antennes.
2.4.7 données comprimées Techniques de compression
Les techniques de compression du son numérique sont applicables.
Il faut bien identifier à quel niveau on se trouve.
Ainsi entre antennes et GSM, seule la compression dynamique est d’application. Dans le réseau ”interne” de l’opérateur, la parole peut-être comprimée. Pendant les silences, rien n’est transmis. Ce qui laisse de la ”place” pour d’autres communications.
2.4.8 Un challenge : le ”handover”
On ne bouge plus.
Dans la génération ”zéro”, les cellules faisaient souvent 20 km de diamètre. En déplacement, on risquait peu de quitter sa cellule et de voir une communication s’interrompre. Si la cellule fait 50 m de diamètre, par contre ! ! ! Ce passage de la communication d’une cellule à une autre se nomme le ”handover”.
Hack : Le mode ”moniteur”
Certains vieux nokia ont une fonction cachée : le mode moniteur.
En permanence, les GSM sont en connexion avec les antennes les plus proches. Une trian- gulation est faite pour déterminer celle qui est à la fois la plus proche et la plus puissante. Si cette antenne, n’est pas saturée, c’est elle qui fait transiter la connexion. Si on est en mouvement, une prédiction est faite de la prochaine qui répondra à ces critères et on ”réserve” une place par avance sur cette antenne.
Deux types de canaux
Les canaux (ou time slots) discutés précédemment sont de deux types : – de données : BLA-BLA, sms, ...
– de contrôle.
Les canaux de contrôle servent à déterminer dans quelle cellule se trouve le GSM, à quelle distance du mât, vers quelle cellule il se dirige, à gérer le passage d’une cellule à l’autre ...
IMEI : Adresse “hardware”
L’adresse ”IMEI” est l’équivalent de l’adresse ”MAC” des cartes réseaux. Il s’agit d’un ”nu- méro” unique lié au GSM. C’est un numéro enregistré dans le ”firmware” de l’émetteur radio.
Lorsqu’on introduit une carte SIM dans le GSM et qu’on allume celui-ci, les bases de données des antennes proches des opérateurs sont mises à jour. Les antennes ”savent” que si on veut un numéro, c’est le GSM avec l’adresse IMEI correspondante qui doit être contacté.
Les antennes ne communiquent par contre que le numéro vers l’opérateur. Les bases de données des opérateurs enregistrent temporairement cette ”géolocalisation”. Si on veut connecter tel numéro, il faut connecter ”tel” groupe d’antennes qui va devoir se ”débrouiller” pour en local trouver le GSM avec le bon IMEI.
3 En guise de conclusion
Tout ce qui n’a pas été abordé Je ne fais ici qu’effleurer le sujet.
Ainsi, je n’ai pas fait la distinction entre ”circuit switching” et ”packet switching”.
On pourrait aussi aborder la théorie des files d’attentes, si importante dans le cadre du
”handover”.
Le mot de la fin
Du point de vue ”physique”, il n’y a rien de nouveau dans tout ce qui précède.
L’intérêt est plus dans l’intégration de toutes les connaissances nécessaires.
Ceci constitue peut-être une base de cours ou de projet de travail pour une classe de ”rhéto”.
Bibliographie et webographie
[1] Collectif. L’article wikipedia sur la Téléphonie mobile. http://fr.wikipedia.org/wiki/
Téléphonie_mobile.
[2] Collectif. L’article wikipedia sur le GSM. http://fr.wikipedia.org/wiki/Global_System_for_
Mobile_Communications.
[3] Pierre Marandet. Mon musée du téléphone. http://pierremarandet.pagesperso-orange.fr/
telephone_fr.html.
[4] Ian Simple. Do u wan2 tlk ? New Scientist, (Inside science 158), Février 2003.
Table des matières
1 Prérequis 2
1.1 Prérequis physiques . . . 2
1.1.1 Énergie . . . 2
1.1.2 Les ondes . . . 2
1.1.3 Le son . . . 2
1.2 Le numérique. . . 2
1.2.1 Problème de l’analogique . . . 2
1.2.2 Codes détecteurs d’erreurs . . . 2
1.2.3 Le binaire . . . 3
1.2.4 Numérisation du son . . . 4
1.2.5 Les ordinateurs . . . 4
2 Le GSM 5 2.1 Un petit ordinateur . . . 5
2.2 Une entrée-sortie particulière : la radio . . . 5
2.3 Historique du gsm . . . 5
2.3.1 La Radio . . . 5
2.3.2 Walkie-Talkie . . . 5
2.3.3 Téléphonie mobile : Génération zéro . . . 7
2.3.4 Téléphonie mobile : Génération un . . . 8
2.4 Technologie GSM . . . 9
2.4.1 Liaison avec le réseau de l’opérateur . . . 9
2.4.2 Le terminal mobile ou GSM . . . 9
2.4.3 Hautes fréquences . . . 10
2.4.4 Les antennes . . . 10
2.4.5 Multiplexage . . . 11
2.4.6 Communication par paquets . . . 13
2.4.7 données comprimées . . . 13
2.4.8 Un challenge : le ”handover” . . . 13
3 En guise de conclusion 14
Bibliographie et webographie 15
Table des matières 16
