• Description de la technologie

GET101

La téléphonie cellulaire

Roch Lefebvre, Professeur titulaire

Plan

• Bref survol historique

• Description de la technologie

• Problèmes rencontrés et solutions

– (« quelques problèmes »)

• Gestion de la téléphonie cellulaire

• Potentiel et limites

• Impact de la technologie sur ma vie

• Bref survol historique

• Description de la technologie

• Problèmes rencontrés et solutions

– (« quelques problèmes »)

• Gestion de la téléphonie cellulaire

• Potentiel et limites

• Impact de la technologie sur ma vie

Les ondes électromagnétiques

• L’historique de la découverte, et de l’exploitation des phénomènes

électromagnétiques (dont les ondes radio) est très riche et a impliqué de nombreuses personnes

• Voici quelques jalons …

Depuis des temps immémoriaux

(magnétite)

(ambre)

Au 13

siècle

Pierre Pelerin de Maricourt décrit les lignes de champs magnétique autour d’un aimant sphérique. Il apporte également la notion de pôle (point d’intersection des lignes de champs magnétique).

Milieu du 18

siècle

Il était devenu très « fashionable » de faire des

démonstrations publiques d’électrification de personnes à l’aide de machines électrostatiques…

1751

Benjamin Franklin amène la notion de charge positive et négative.

Il démontre, à l’aide d’un cerf-volant, que l’éclair est en fait une gigantesque décharge électrique.

(Il sort indemne de cette expérience…)

Note historique : un autre scientifique a été moins chanceux. Le Russe-Allemand Georg Wilhelm Richmann a été tué dans une expérience similaire en 1753 à St-Petersburg.

1820

Le Danois Hans Christian Oersted, professeur de sciences à l’université de Copenhague au

Danemark, effectua une série d’expériences (pour ses amis et étudiants) pour démontrer comment un courant électrique peut chauffer un fil

métallique.

Il effectua aussi des expériences sur le

magnétisme avec une boussole montée sur une base de bois.

Les deux montages (fil de fer chauffé par un

courant électrique, et boussole) se trouvant côte à côte, quelle ne fût pas sa surprise lorsqu’il

constata que l’aiguille de la boussole bougeait à chaque fois que le courant électrique (courant continu) était activé ou désactivé.

Oersted venait de découvrir, il y a presque 200 ans, qu’une variation de courant électrique produisait un champ magnétique (c’est ce champ qui faisait

bouger l’aiguille de la boussole qui se trouve près d’un fil dans lequel circule un courant qui varie).

André-Marie Ampère

André-Marie Ampère

André-Marie Ampère

Le français André Marie Ampère entendit parler de démonstrations que fit Oersted le 11

septembre 1820 à l’académie française des sciences.

Il fit l’hypothèse suivante : si un courant dans un fil pouvait exercer une force sur l’aiguille d’une boussole (un aimant), alors en plaçant cote à cote deux fils dans lesquels on faisait circuler un

courant électrique, ces fils devraient exercer une force l’un sur l’autre, à la manière de deux

aimants que l’ont place cote à cote.

Dans les jours qui suivirent, Ampère développa une théorie quantitative des observations

d’Oersted.

Et il démontra que

• Si le courant circule dans le même sens : les fils s’attirent

• Si le courant circule en sens opposé, les fils se repoussent

• Action à distance entre les deux fils

1831

Michael Faraday (relieur à Londres)

A été très impressionné par les expériences d’Oersted.

S’est dit : si un courant électrique peut produire un champs magnétique, alors un champs magnétique devrait en retour

produire un courant.

Ceci s’est avéré pour des courants qui varient.

Cela a mené au concept d’induction électromagnétique.

1860

Le physicien et mathématicien écossais James Clerk Maxwell démontra qu’il y

avait une relation importante entre la force électrique et la force magnétique.

Une relation qui impliquait,

remarquablement, la vitesse de la lumière.

Il, et d’autres scientifiques de l’époque, en vinrent à représenter la lumière comme un phénomène électromagnétique – une

onde électromagnétique.

Il postula que d’autres ondes

électromagnétiques – les ondes radio – existent même si elles ne sont pas

visibles.

Les antennes

• Une antenne est un transducteur, qui peut convertir une onde électromagnétique

(une onde radio) en courant, et vice-versa.

• Dès 1885 : Thomas Edison

utilisait des antennes dans ses expériences

• Edison a plus de 1000 brevets à son nom (transmission sans fils, phonographe, ampoule

électrique, génération et

distribution d’énergie électrique, etc)

• En début de carrière, il était opérateur de télégraphe

• En 1888, Henri Hertz utilisa aussi des

antennes afin de prouver l’existence des

ondes électromagnétiques prédites par les

théorie de James Clerk Maxwell.

Les « TIC » à travers les ages

• Voici maintenant quelques jalons sur le

plan technologique dans le domaine des

communications et des technologies de

l’information

TéTélléégraphegraphe (Morse) (Morse)

3535 7676

TéTéllééphonephone (Bell) (Bell)

5353

Premi Premièèrere connexion connexion tétéllééphoniquephonique intercontinentale intercontinentale 9797

Commutateur Commutateur automatique automatique (é(électromlectroméécaniquecanique))

0101

TéTélléégraphegraphe sans sans filfil (Marconi) (Marconi)

2020

Radio Radio AMAM

2828

TéTélléévisionvision 3333

Radio Radio FMFM

4747

Transistor Transistor

5858

Circuit Circuit intéintégrgréé

6060

Commutateur Commutateur

numnumériqueérique 6969

ARPANET ARPANET

8282

TéTéllééphoniephonie cellulaire cellulaire AnnAnnéesées 18001800 AnnAnnéesées 19001900

WWWWWW ++ cellulaire cellulaire numénumériquerique

8989 9494 9595

TéTéllééphoniephonie sursurInternetInternet

(VocalTec(VocalTec)) Radio Radio sursurInternetInternet (RealAudio) (RealAudio)

4646

ENIAC ENIAC

50 millions …

• Temps pour atteindre 50 millions d’usagers

– Radio 38 ans

– Téléphone 25 ans

– Télévision 14 ans

– Internet (www) 5 ans – Téléphone cell. 11 ans

• Mais : 1 milliard de mobiles vendus en 2008

Et aujourd’hui ?

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– (« quelques problèmes »)

• Impact de la technologie sur ma vie

Un peu de sémantique

Télé / phonie cellulaire

Sert à former des mots en rapport à la voix, la

parole, au fait d'écouter ou, par extension, de parler (Wikipedia)

À distance, au loin.

?

Les premières réseaux mobiles

• (Avant 1983)

• Avant les réseaux

cellulaires, les structures des réseaux mobiles

étaient similaires au

réseau de télévision (par antennes) ou de radio

• Transmitteurs très

puissants, couvrant une région allant jusqu’à 50 km de rayon

Idée du cellulaire

• Remplacer un seul transmetteur puissant par de nombreux

transmetteurs de faible puissance

• A cause de la proximité, il fallait gérer le

problème d’interférence entre les cellules

• Donc, on ne peux pas utiliser tous les canaux dans chaque cellule

cellule

Réutilisation des fréquences

Utilisent les mêmes

fréquences, puisqu’elles sont suffisamment

éloignées

Les autres cellules vont utiliser d’autres

fréquences

(d’autres canaux)

Vue d’ensemble du réseau

Principes de base

• Chaque téléphone mobile utilise un canal temporaire et distinct des autres usagers

• Une antenne dans une cellule « parle » à plusieurs téléphones en même temps

• Les signaux des différents usagers se

superposent, et sont vus « en même temps » par les antennes

• Des circuits électroniques isolent les signaux pour décoder ce que dit chaque usager

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La transmission des signaux

• Un grand nombre d’usagers doivent partager le canal (les ondes radio)

• Leurs signaux se superposent simultanément

• Comment faire pour faire cohabiter ces

signaux, puis récupérer l’information de

chacun?

Modulation

Moduler = faire varier

afin de transmettre de l’information

Modulation … dans l’histoire

Modulation … dans l’histoire

Modulation FM

porteuse

La fréquence de la porteuse est ce qu’on appelle le canal

Des circuits électroniques peuvent isoler une porteuse parmi une somme de plusieurs autres porteuses

Modulation FM

porteuse modulée message

Modulation : Le message (par exemple, la voix à transmettre) fait osciller la fréquence de la porteuse autour de sa

valeur nominale (la fréquence du canal)

Démodulation : Des circuits électroniques peuvent récupérer le message à partir de la porteuse modulée

Taille des cellules

• Les ingénieurs ont découvert que le problème d’interférence n’était pas dû à la distance entre les transmetteurs

• Mais bien au rapport (ratio) entre la distance et la puissance

– Grande distance et petite puissance = gros problème (interférence)

• En diminuant la distance (donc, la taille des

cellules), on diminue le problème d’interférence

– Et donc, plus d’usagers permis dans le système

Taille des cellules

• L’augmentation de la capacité du réseau dépend en théorie du carré de la taille des cellules

• Par exemple :

– Rayon de 10 km : capacité de A canaux – Rayon de 1 km : capacité de 100 A canaux

– (autrement dit, un rayon 10 fois plus petit permet d’augmenter la capacité d’un facteur 100)

– Rayon plus petit : encore plus d’usagers possibles

Fractionnement des cellules

• Idéalement, pour permettre le plus

d’usagers possibles, on utiliserait un très grand nombre de petites cellules, partout sur le territoires

• Pour des raisons économiques, ce n’est pas possible

• Pour cela, les opérateurs (Rogers,

Verizon, Bell Mobilité, etc) appliquent le

fractionnement des cellules

Fractionnement des cellules

« Hand-off »

• Lorsqu’un usager se déplace entre

différentes cellules (exemple, une voiture sur l’autoroute)

– Sa conversation peut être transférée de cellule en cellule par le système

– C’est ce qu’on appelle le processus de

« hand-off)

« Hand-off »

« Hand-off »

« Hand-off »

« Hand-off »

1

génération

Les réseaux cellulaires

analogiques

Le réseau cellulaire analogique en Amérique du Nord

• AMPS (Advanced Mobile Phone Service)

• Déployé en 1983

• Le premier standard au monde en téléphonie cellulaire

• Bande de fréquences : 800-900 MHz

– (en comparaison, la radio FM prend la bande 88 à 108 MHz)

• 30 kHz de bande pour chaque usager

• Même type de modulation que la radio FM

Réseau analogique en Europe

• L’équivalent de AMPS en Europe était le réseau TACS

– Total Access Communication System

• Utilise aussi la bande 900 MHz

• Utilisé en Angleterre, mais aussi à Hong- Kong et au Japon

• A été complètement supplanté par les

réseaux numériques

Limites de AMPS

• Faible capacité (nombre d’appelants simultanés)

• Spectre de fréquences limité

• Transmission de données peu efficace

– Oubliez le haut débit …

• Possibilité d’écoute (pas de vie privée)

• Pas de sécurité (aucun encryptage)

• « Limité » à la téléphonie usuelle

2

génération (2G)

Les réseaux cellulaires

numériques

Avantages du numérique

• Plus grand éventail de services

– voix (téléphonie), facsimile, données

– SMS (Short Message Service) est devenu très populaire avec le numérique

– Sécurité et encryptage

• Débits typiques autour de 9.6 kbit/sec par canal

• En combinant des canaux, des services jusqu’à 100 kbits/sec sont possibles

– Commutation par circuits comme pour AMPS

Systèmes 2G principaux

GSM

– le plus utilisé de nos jours

– utilise les bandes de fréquence 900 et 1800 MHz en Europe

– utilise la bande 1900 MHz en Amérique du Nord

– Les téléphones mobiles pouvant opérer à la fois en Europe et en Amérique du Nord sont donc appelés « tri-bandes ».

Systèmes 2G principaux

CDMA

– Une approche radicalement différente (que GSM et TDMA) pour partager la bande de fréquences entre les usager

– Utilisé surtout en Amérique du Nord et en Asie

– En Amérique du Nord : CDMA est dominant par rapport au réseau GSM

– Mais globalement, GSM est beaucoup plus utilisé

GSM vs CDMA

• GSM est beaucoup plus supporté mondialement que CDMA : plus

intéressant si on voyage (surtout avec un mobile « tri-bandes »)

• CDMA permet de télécharger des

données plus rapidement que GSM (pour

l’instant)

Opérateurs partagés

• GSM

– USA : AT&T, Cingular, T-Mobile – Canada : Rogers, Fido-Microcell,

Sprint Canada

• CDMA

– USA : Sprint, Nextel, Verizon, Virgin Mobile

– Canada : Bell Mobilité, Telus, Aliant, SaskTel, Sprint Canada

3

génération (3G)

Numériques et multimédia

(la convergence)

Caractéristiques du 3G

Taux de transfert (débits) élevés

– 144 kbit/s avec couverture universelle pour usage mobile (ex. en train)

– 384 kbit/s avec couverture modérée pour usage à pied (typiquement, en ville)

– 2 Mbits/sec avec couverture restreinte (ex. aéroports, gares, etc) pour usage stationnaire

Débits suffisants pour transmission vidéo et accès à l’Internet

Caractéristiques du 3G

• Compatibilité mondiale universelle

• Rétro-compatibilité avec les services 2G

(autrement dit, votre téléphone mobile 3G doit pouvoir se connecter sans problème aux

réseaux et aux services 2G)

• Des téléphones mobiles qui ressemblent de

moins en moins à des téléphones et de plus en plus à des ordinateurs « de paume »

Le 3G en Europe

• UMTS : Universal Mobile

Telecommunications System)

• Accès : W-CDMA

• Un usager a un canal ayant une bande de fréquence de 5 MHz (à comparer avec les 30 kHz du réseau analogique 1G AMPS)

• Pour des débits entre 348 kbit/sec et 2

Mbit/sec

« 3.5 G »

• On parle même d’au-delà du 3G

• Le système HSDPA (High-speed down- link packet acces)

– donne à l’usager mobile des débits entre 8 et 10 Mbit/sec

Temps-réel vs temps différé

Temps différé

• Applications

– Diffusion, consultation (ex. Youtube), échange de fichiers, …

• Délai variable (et possiblement long)

• Possibilité de retransmission

• Possibilité de recevoir les paquets d’info

dans le désordre

Temps réel

• Applications

– Communications vocales (téléphonie), téléconférence, …

• Délai court (quelques dizaines de ms)

• Pas de possibilité de retransmission

– Paquets d’info perdus

• Utilisation de techniques d’interpolation et d’extrapolation pour approximer

l’information perdue

Le saviez-vous ?

• Quand vous tenez un téléphone cellulaire, vous tenez la moitié du tableau périodique des

éléments.

Usages

• Silicium (Si)

– Silicone, composant important des circuits intégrés

• Cuivre (Cu)

– Fils, câbles et infrastructure en général

• Gallium (Ga)

– DEL (diodes à émission de lumière), lasers, cellules solaires et circuits hautes-fréquences

• Indium (In)

– Écrans LCD

• Étain (Sn)

– Liant pour circuits sans soudures

Conséquences

• L’industrie de la téléphonie mobile se retrouve dépendante de la production et de la

disponibilité de ces éléments

• Certains des éléments les plus rares sont

utilisés pour fabriquer les téléphones (et il est difficile de leur trouver des substituts)

• Certains de ces éléments sont produits uniquement comme des dérivés d’autres

produits (par exemple, le Gallium et l’Indium)

• Même un élément assez commun comme le Cuivre pourrait devenir plus rare, dû à la

demande sans cesse croissante

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• Problèmes rencontrés et solutions

– (« quelques problèmes »)

• Gestion de la téléphonie cellulaire

• Potentiel et limites

• Impact de la technologie sur ma vie

Joueurs importants

• Organismes de réglementation et

d’allocation des fréquences (Industrie Canada, CRTC, FCC aux Etats-Unis)

• Organismes de standardisation

• Équipementiers (Nokia, Samsung, etc)

• Opérateurs (Bell Mobilité, Rogers, etc)

Allocation de fréquences

The RF electromagnetic spectrum is an aspect of the

physical world which, like land, water, and air, is subject to usage limitations.

Wikipedia

Allocation de fréquences

• Le gouvernement du Canada est chargé de la régulation de l’usage du spectre de fréquences au pays (3 Hz à 30 GHz)

• La section 5 du Radiocommunication act donne le pouvoir au Ministère de

l’industrie d’allouer des licences exclusives d’exploitation de certaines ondes radio

• Industrie Canada s’occupe de cette

régulation

Allocation de fréquences

• Les détenteurs de licences doivent respecter des conditions :

– Ne pas interférer avec les fréquences voisines (hors de leur licence)

– Respecter les normes de puissance maximum émise – Respecter les obligations de contenu pour les

diffuseurs

• Les licences sont sujettes à des révisions périodiques

Allocation de fréquences

• Les ondes radio ne connaissent pas les frontières entre les pays

– Elles sont donc aussi sujettes à une régulation internationale

• Les organismes internationaux importants, où le Canada est impliqué, pour promouvoir et

présever ses intérêts :

– International Telecommunications Union (ITU) – World Radio Conference (WRC)

– World Trade Organization (WTO)

Allocation de fréquences

• Le Canada est fortement influencé par, et sychronisé sur la politique Américaine

• 98% du spectre radio Canadien est réservé à

usage commercial ou gouvernemental (militaire, marine, aérospatiale, applications pour réponses en cas d’urgence) - le reste (2%) est pour

usage publique, communautaire ou amateur

Allocation de fréquences

Des gros $$ …

Standards

• Pourquoi des standards ?

– Afin de permettre l’interopérabilité entre les dispositifs et les systèmes

– Un fabriquant de téléphone mobile doit

respecter tout un ensemble de protocoles standardisés pour accéder au réseau et

formater l’information transmise (voix, images, données, etc.)

Des standards bien connus

Standards pour cellulaire

• Accès au réseau

– Bande de fréquences, type de modulation, protocole, etc

• Puissance maximale / gestion de la puissance (CDMA en particulier)

• Format des données / codecs

– Voix

– Audio / vidéo – Données

Organismes de standardisation

• Union Internationale des Télécommunications

• http://www.itu.int/net/home/index.aspx

• Une agence des Nations Unies

• Focus : Technologies de l’information et des communications (TIC)

• 3 secteurs :

– Communications radio (ITU-R) – Standardisation (ITU-T)

– Développement (ITU-D)

• Basée à Genève (Suisse)

• 191 états (pays) membres

• Plus de 700 organisations/compagnies membres

• En activité depuis plus de 140 ans

• A produit de nombreux standards pour

– La diffusion de la radio numérique – La vidéo

– Les communications vocales numériques – Les modems

– Les communications réseaux

. . .

• European Telecommunications Standards Institute

• http://www.etsi.org/WebSite/homepage.aspx

• Organisme de standardisation Européen

• 60 États membres

• 700 organisations/compagnies membres

• A produit plusieurs standards pour

– La diffusion vidéo-numérique (DVB) – Services et protocoles Internet

– « Smart cards »

• Third generation Partnership project

• http://www.3gpp.org

• Créé en 1998

• Dédié spécifiquement aux réseaux cellulaires (GMS et évolution)

• Third generation Partnership project 2

• http://www.3gpp2.org

• Intérêts Nord Américains et Asiatiques (une réponse au 3GPP?... Du type « NIH – Not Invented Here? »)

• 3GPP et 3GPP2 se rencontrent plus

fréquemment et opèrent plus rapidement que, par exemple, des organismes comme ITU

Équipementiers

• Équipementiers nombreux, mais certains ont des parts de marché plus importantes

• Les « tops 5 » en 2008 :

– Nokia

– Samsung

– Sony Ericsson – Motorola

– LG Electronics

• 1.1 Milliard de mobiles vendus en 2008

Le saviez-vous ?

Équipementiers

Avec la convergence du 3G (réseaux cellulaires rencontrent le Web), de nouveaux joueurs

apparaissent

– Apple avec le iPhone, qui veut augmenter sa part de marché iTUNE et MacOS, mais qui se trouve en

même temps à devenir un joueur sur VoIP

– Google a lancé un nouvel OS pour téléphone mobile

• Mais en même temps, en 2006, le plus grand vendeur de « players MP3 » n’était pas Apple (iPOD) : c’était Nokia (ses mobiles étaient déjà

« MP3 enabled »)

• Bref survol historique

• Description de la technologie

• Problèmes rencontrés et solutions

– (« quelques problèmes »)

• Gestion de la téléphonie cellulaire

• Potentiel et limites

• Impact de la technologie sur ma vie

Potentiel

• Mobilité et accès « de n’importe où et en tout temps »

• Être rejoint n’importe où et en tout temps

• Organisation du temps et du travail

• Réseautage

• Opportunités d’affaires

– Nouvelles applications – Équipements et services – Autre (?)

Limites

• Autonomie (piles)

• Petitesse du dispositif (versus un PC)

• Bande passante

– Le téléphone mobile est de plus en plus utilisé

comme un « ordinateur de paume », mais les usagers n’ont pas encore accès à la même vitesse (débits)

que sur un lien filaire

• Compatibilité mondiale

– Encore plusieurs standards dans les réseaux des différents continents

Évolution

1980

2010

?

2040

trente ans

trente ans

• Bref survol historique

• Description de la technologie

• Problèmes rencontrés et solutions

– (« quelques problèmes »)

• Gestion de la téléphonie cellulaire

• Potentiel et limites

• Impact de la technologie sur ma vie

Usages du téléphone cellulaire

Usages du téléphone cellulaire

Impacts sur la santé

Un coup (bien) monté…

En réalité

• Nous vivons dans un monde imprégné de radiations – certaines produites par

l’homme, et d’autres de source naturelle

• Les normes sur la puissance des

émissions électromagnétiques sont très strictes pour assurer la sécurité des

utilisateurs

Normes américaines (FCC)

• 1 mW / cm² pour usage public

• 5 mW / cm² pour usage professionnel

• En comparaison, pour un four micro-onde, les fuites (« leakage ») ne doivent pas dépasser 5 mW / cm² lorsque mesuré à 5 cm de la grille avant.

– A l’intérieur, pour la cuisson, la puissance varie entre 500 et 2000 W.

Une citation …

« This country (USA) is finished - it’s been sliding downhill a long time, and everyboby has got a cellphone that makes pancakes so they don’t want to rock the boat. They don’t want to make any trouble. People have been bought off by gizmos and toys in this country. »

George Carlin

en entrevue à « Countdown »