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Le téléphone mobile et ses évolutions

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Année universitaire 2008-09

Le téléphone mobile et ses évolutions

michel.glass@upmc.fr

(2)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(3)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

La structure générale du réseau mobile

Généralités sur la radio

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(4)

Qu’est-ce qu’un réseau mobile ?

Un réseau téléphonique

Un réseau destiné à transmettre essentiellement de la voix On limite la bande de fréquence transmise

entre 0 à 4000 Hz

Ce n’est pas de la HiFi, mais c’est suffisant pour être compris dans toutes les langues

Un réseau de structure similaire à celle du téléphone fixe Mêmes services

Méthode similaire pour appeler ou trouver le correspondant

Un réseau qui se connecte à tous les réseaux disponibles

(5)

Qu’est-ce qu’un réseau mobile ?

Un réseau avec des liaisons sans fil

Entre le mobile et une entrée dans le réseau, il faut deux

liaisons radio utilisant chacune une porteuse (comme si en FM on parlait sur France Info 105.5 MHz et comme si on écoutait Rires et Chansons sur 97.4 MHz)

Il faut demander et obtenir une bande de fréquences spécifique au réseau pour éviter des brouillages

C’est un problème compliqué car la ressource est RARE et donc CHERE

Le signal reçu sur le mobile est TRES fluctuant

Il faut concevoir le système pour que les conversations soient compréhensibles malgré tout

Le réseau doit avoir beaucoup d’utilisateurs pour être rentable et les technologies doivent donc être éprouvées

(6)

Qu’est-ce qu’un réseau mobile ?

Un réseau permettant de se déplacer

Une couverture (inter)nationale avec de nombreuses antennes fixes

La possibilité de passer de l’une à l’autre lorsque la réception devient mauvaise (itinérance)

Rq : Le système ne se reconfigure pas instantanément et il y a des limitations des vitesse (200 km/h)

Il existe cependant des réseaux spéciaux (TGV par exemple)

(7)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(8)

Pourquoi faut-il un réseau ?

La meilleure méthode serait de relier les correspondants 2 à 2

S ’il y a n correspondants, il faut lignes et le poste de chacun comporte n-1 lignes 2

) 1 (nn

Même avec 1000 abonnés, c’est

IMPOSSIBLE

(9)

La solution pratique Un réseau en étoile

Chaque abonné n ’est relié que par UNE ligne

Mais il faut un COMMUTATEUR pour créer une liaison entre abonnés

(10)

La structure du réseau téléphonique

Il n’est pas possible d’avoir un seul commutateur

Les commutateurs sont reliés entre eux par des Centres de transit

(commutateurs de commutateurs) qui peuvent être reliés entre eux par des centres de transit principaux

(11)

La structure du réseau fixe

Il faut trouver un chemin entre l’appelant et l’appelé

C’est le système de signalisation qui fait le travail

Pour le réseau fixe, c’est facile à faire, car le numéro de téléphone donne la localisation du correspondant

04 91 82 60 22

Sud-Est PACA Marseille Luminy 6022 ème

(12)

La signalisation du réseau fixe : le système sémaphore

Abonné

CAA CTS CTP

Abonné

CAA CTS CTP

Réservé SS7

Réservé

Réservé

Réservé

Réservé

(13)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(14)

Comment émettre ?

On ne peut pas émettre directement une information (parole, musique, données binaires, etc.) car tout

serait mélangé et indiscernable

Pour pouvoir séparer les émissions, on choisit pour chacune une fréquence centrale, appelée porteuse :

U = a sin(ωt + φ)

et on fait varier a, ω ou φ en fonction de l’information par exemple a= 1+AsinΩt avec A<1

où AsinΩt est le signal à transmettre

Suivant les cas, on a une émission en AM, FM ou PM

(15)

Comment émettre ?

Ces modifications entraînent l’apparition de nouvelles fréquences autour de la porteuse

On obtient un spectre de fréquence d’autant plus large qu’on a beaucoup d’informations à transmettre

Spectre de la bande radio FM autour de 106,1 MHz

(16)

Comment recevoir ?

Pour recevoir, il faut se centrer sur la fréquence porteuse et utiliser un dispositif complexe qui recherche les informations autour de la porteuse

Par commodité, on ne cite que la fréquence de la

porteuse

Dans la bande FM, les stations de radio sont

émises sur des porteuses proche de 100 MHz et

distantes de 400 kHz

Fréquences centrales de radios FM à Paris

(17)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

La sûreté du réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(18)

La structure du réseau mobile

Le réseau mobile est la suite du téléphone fixe

Il en possède tous les services

Il a une structure très similaire

Aux USA, il a d’abord été analogique Ce fut le réseau 1G

En Europe, on est passé directement en numérique :

C’est le GSM ou réseau 2G

(19)

BSCBSC BSCBSC

BSCBSC

MSCMSC

MSCMSC

BTSBTS

BTSBTS

BTSBTS BTS

BTS

BTSBTS

BTSBTS

RR TT CC PP VLRVLR

VLRVLR HLRHLR

BSSBSS NSSNSS AUCAUC HH

EIREIR

Schéma général du réseau mobile

(20)

BSC BSC BSCBSC

BSCBSC

MSCMSC

MSCMSC BTSBTS

BTS BTS

BTS BTS BTSBTS

BTSBTS

BTSBTS

RR TT CC PP VLRVLR

VLR VLR HLRHLR

BSSBSS NSSNSS AUCAUC HH

EIREIR

Les composants du réseau

BSS

BTS ou Base

Transceiver Station

émetteurs-

récepteurs + une certaine

intelligence

BSC (Base Station Controller)

contrôle un

ensemble de BTS

NSS

MSC ou Mobile services Switching Center)

Commutateurs mobiles

Visitor Location Register

HLR ou Home Location Register

base de données de localisation et de caractérisation des abonnés

(21)

Exemples de BTS

(22)

BSCBSC BSCBSC

BSC BSC

MSCMSC

MSC MSC BTSBTS

BTSBTS BTS BTS BTSBTS

BTS BTS

BTS BTS

R R TT CC PP VLR

VLR

VLR VLR HLR

BSS HLR

BSS NSSNSS

AUC H AUC H

EIREIR

Fonctions du HLR

Mémorise les

caractéristiques d’un abonné

Identification internationale

Numéro d’annuaire d’abonné

Profil d’abonnement

Mémorise le VLR où l’abonné est connecté (même à l’étranger)

Centralisé ou non

(23)

BSC BSC BSCBSC

BSCBSC

MSCMSC

MSC MSC BTS

BTS

BTSBTS BTS BTS BTS BTS BTS BTS

BTS BTS

RR TT CC PP VLRVLR

VLRVLR HLR

BSS HLR

BSS NSSNSS

AUC AUC HH

EIREIR

Fonctions du MSC et du VLR

Commutateur du service mobile

Communication mobile <>

autre MSC

Handover si hors BSC

Gère le VLR pour la mobilité des usagers (détermination de la cellule où se trouve le

mobile)

Fonction de passerelle avec RTC

(24)

Deux points spécifiques

Itinérance

Elle nécessite la connaissance de la localisation de chaque mobile

Le mobile doit rester«actif» même en état de veille

Canal radio

Il nécessite une authentification de l’abonné Pour des raisons de sûreté, l’identité de

l’utilisateur de doit pas être connue (identité temporaire)

Pour des raisons de sûreté, le contenu de la conversation peut être caché (chiffrement)

(25)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(26)

890-915 MHz Liaison montante

935-960 MHz

Liaison descendante

1710-1785 MHz Liaison montante

1805-1880 MHz Liaison descendante

Vers une utilisation rationnelle des fréquences

Le téléphone mobile dispose de 2 groupes de 2 fréquences

(bibande)

On ne sait pas découper ces groupes en canaux de moins de 200kHz

Cela n’autorise que 500 correspondants simultanés en France

Ce n’est pas raisonnable ni rentable

Il faut rationaliser l’utilisation des canaux

(27)

Une première solution : le multiplexage numérique

Temps

On transforme la parole en signal numérique, c’est-à-dire en une série de bits

(28)

Une première solution : le multiplexage numérique

Temps

On transforme la parole en signal numérique, c’est-à-dire en une série de bits

On découpe le signal en segments égaux

(29)

On transforme la parole en signal numérique, c’est-à-dire en une série de bits

On découpe le signal en segments égaux On compresse chaque segment

Une première solution : le multiplexage numérique

Temps

(30)

On transforme la parole en signal numérique, c’est-à-dire en une série de bits

On découpe le signal en segments égaux On compresse chaque segment

Cela laisse de la place pour une autre

conversation compressée de la même façon

Une première solution : le multiplexage numérique

Temps

Tranche I II I II

(31)

On transmet ainsi plusieurs conversations, mais avec un débit binaire plus grand

En téléphone fixe, on transmet 30 conversation simultanées

En téléphone mobile, on transmet 8 conversations simultanées

On gagne un facteur 8 sur le nombre total de correspondants

A la réception, on suit le schéma inverse en donnant le numéro de la tranche de temps à récupérer

Une première solution :

le multiplexage numérique

(32)

En résumé :

l’utilisation du multiplexage

Source: IEEE Communications Surveys 1999

(33)

Une deuxième solution : la création de cellules

Les BTS émettent des ondes qui se

propagent en ligne droite et sur une zone qui dépend de la hauteur de l’antenne et de la

puissance émise

Pour avoir une continuité de fonctionnement, ces zones doivent se recouper

Les fréquences de zones contiguës doivent être différentes

Entre deux zones éloignées, on peut réutiliser les fréquences

(34)

Un réseau cellulaire

L ’espace à couvrir est divisé en cellules dans lesquelles les fréquences utilisables sont différentes

Les fréquences sont réutilisables entre cellules éloignées

On essaie de faire en sorte que le nombre de correspondants potentiels dans chaque cellule soit du même ordre (~100)

Dans les zones urbanisées les cellules sont plus petites (~100m) qu’à la campagne (~30km) ou en banlieue (~qq km)

(35)

Un réseau (inter)national

Chaque BTS a à sa disposition un nombre restreint de fréquences (au plus 8) pour un

nombre restreint de conversations (au plus 64)

La taille de la cellule dépend d’études de la

fréquentation de la zone considérée ; en cas de sur-occupation, certaines conversations sont coupées

• Les fréquences changent entre BTS contiguës et

le mobile doit s’adapter ; il y a une nécessité

permanente de dialogue entre le mobile et les BTS

Il y a des cellules dormantes qui sont activées lorsque c’est nécessaire (Stade de France p.ex.)

(36)

Mais il y a un problème :

le signal radio est très fluctuant

(37)

Le signal reçu, surtout en ville, est la somme de signaux ayant suivi plusieurs chemins

Il peut en résulter des interférences destructives imprévisibles et inopinées, par exemple quand :

u=a sin(ωt-2πl1/λ)+a sin(ωt-2πl2/λ) Si l1-l2=(2n+1)λ/2, on a :

u=0 !!

L’origine de la fluctuation :

les chemins multiples

(38)

Comment le corriger

La fluctuation est trop rapide pour être corrigée en temps réel

On envoie régulièrement une séquence connue, on constate sa dégradation et on recherche un moyen algorithmique de la corriger

Cet algorithme est appliqué aux données

émises juste avant et juste après l’émission de la séquence connue, appelée

Séquence d’apprentissage

(39)

Training sequence

00100 10111 000010 00100 10111

Comment le corriger

On émet des bursts de données

C’est efficace, mais insuffisant

On est contraint quasiment de répéter chaque

séquence pour être certain qu’elle sera bien reçue En fait, on dit qu’ ajoute un code correcteur d’erreurs

(40)

Une conséquence importante

Pour assurer la qualité de la conversation, on prend de nombreuses précautions qui consiste à ajouter des informations de

contrôle à la parole numérisée

Le débit binaire utile est donc réduit par rapport à la capacité du canal

On ne peut pas dépasser 13 kbps

Le GSM ne peut fonctionner comme un

Internet mobile !

(41)

Une autre cause de fluctuation : la distance

Plus on s’éloigne d’une BTS, plus le signal est faible (il varie en 1/r2)

Sauf en cas d’excès de vitesse, cette variation est lente et peut être corrigée en augmentant le gain

Si le signal reçu par la BTS est faible, le signal reçu par le mobile est faible

L’indicateur de niveau de réception sur le mobile permet de modifier la puissance reçue :

Moins il y a de barres, plus la puissance émise est grande Rq : il y a aussi une indication de réseau de secours

(42)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(43)

Une solution extrême : l’itinérance

Quand le mobile est trop éloigné de la BTS, le signal devient trop faible et les conversations inaudibles

Comme le réseau couvre (presque) tout le territoire, il y a (presque) toujours une autre BTS qui permet une liaison meilleure

Quand c’est le cas, le mobile signale la présence de l’autre BTS et le réseau se réorganise pour que les correspondants se joignent par un nouveau chemin.

Cette opération (le handover) se fait très rapidement et n’est pas sensible à l’oreille

S’il n’y a pas d’autre BTS disponible, la conversation est coupée.

(44)

Que se passe-t-il quand on se déplace ?

Afin d ’expliquer le mécanisme de handover, nous allons visionner le voyage à travers le réseau d’un

utilisateur dans un véhicule rapide

(45)
(46)
(47)

La décision de handover

receive level BTSold

receive level BTSnew

MS MS

HO_MARGIN

BTSold BTSnew

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(49)
(50)
(51)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(52)

La communication entre deux interlocuteurs :

l’appel à partir d’un mobile

(53)
(54)

Fréquence (MHz)

935

960

Il cherche les pics d’énergie dans la bande dont dispose l’opérateur

Il mémorise les 5 pics les plus significatifs

Il cherche à s’inscrire sur la BTS qui envoie le signal le plus important

Le mobile n’a pas d’information pour se connecter au réseau

Que se passe-t-il au départ ?

(55)
(56)
(57)
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(59)

Que se passe-t-il ?

Le MSC retire les informations voulues

3 bases de données : HLR

Contient les informations sur l ’utilisateur

AuC

clef d ’authentification

EIR

N° de série du mobile

Si tout est bon, le processus peut se poursuivre

(60)
(61)
(62)

Comment joindre le correspondant ?

S’il est fixe, le numéro du correspondant permet de savoir où il est

S’il est mobile, le MSC cible va chercher les informations du destinataire dans le VLR

Le VLR

reçoit des HLR les informations concernant tous les abonnés mobiles qui pénètrent dans son secteur

fournit aux MSC les données nécessaires au traitement de l’appel

(63)
(64)
(65)

Remarques

Pour appeler un mobile à partir d’un fixe, on fait également appel au HLR de l’appelé et au VLR

Encore faut-il qu’il soit inscrit

Cela signifie que le mobile s’inscrit, s’il est allumé, en envoyant régulièrement un

message particulier à la BTS la plus proche Cela signifie aussi qu’il n’aille pas si vite que le

réseau n’arrive pas à se mettre à jour Il y a donc une limitation de vitesse

Faute de cela, on est dirigé vers le répondeur

(66)

Une autre utilisation du GSM : les SMS

Les circuits de signalisation ne sont pas constamment utilisés

On peut les rentabiliser en les utilisant pour

transmettre de petits messages non prioritaires : les SMS (Short Message Service)

Ces messages de longueur inférieure à 160 octets sont transmis sans limitation de délai en mode personnel ou en mode diffusion

A quel prix ? Les réseaux de signalisation sont

nécessaires et on pourrait dire que les SMS doivent être gratuits et l’abonnement plus cher, MAIS il y a un service supplémentaire …

(67)

Le plan

Généralités

Le téléphone fixe

Généralités sur la radio

La structure générale du réseau mobile

La liaison radio

L’itinérance

Une communication dans le réseau

Les évolutions vers l’Internet mobile

(68)

Les différences entre le téléphone et Internet

Par téléphone, on échange une

conversation : la « ligne » entre les

correspondants doit être constamment réservée pour eux

Par Internet, on échange des bouffées d’information (messages ou paquets) : la liaison peut être partagée

Pour être convivial, Internet doit être

beaucoup plus rapide que le téléphone

(69)

69

Les débits nécessaires aux applications des télécommunications mobiles

Speed, kbps 2G CDMA 2.5G GPRS, CDMA 2000UMTSEDGE

Transaction Processing Messaging/Text Apps Voice/SMS Location Services Still Image Transfers Internet/VPN Access Database Access Document Transfer

Low Quality Video High Quality Video

9.6 14.4 28 64 144 384 2000

(70)

Une solution pas très chère

On garde le réseau GSM et on modifie son usage :

Les « slots » peuvent être mutualisés

On peut utiliser plusieurs « slots » d’une même trame

On modifie la façon d’émettre les données binaires

Mais il faut changer de mobile

C’est le cas des réseaux GPRS et EDGE

(71)

Les caractéristiques du GPRS et de EDGE

GPRS : en théorie 114 kbps maximum en pratique 40 kbps

Un peu juste pour Internet, pas bon pour la télévision

C’est le 2,5 G

EDGE : en théorie 473 kbps maximum en pratique 384 kbps

Bon pour Internet, bon pour du multimedia simple

C’est le 2,75 G

(72)

L’UMTS ou l’Internet 3G

Il y a besoin d’un nouveau réseau car le GSM est saturé

Ce réseau fonctionne sur une bande de fréquences différente :

1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz et il faut un nouveau mobile (le quadribande)

Ce réseau est plus rapide et fonctionne sur un nouveau type de multiplexage :

le multiplexage de code

C’est équivalent à faire parler simultanément des

correspondants, mais dans des langues différentes

(73)

Courtesy of Suresh Goyal & Rich Howard 73

Un exemple de multiplexage de codes

(74)

Courtesy of Suresh Goyal & Rich Howard 74

(75)

Courtesy of Suresh Goyal & Rich Howard 75

(76)

Les caractéristiques de l’UMTS

 2 Mb/s à l’intérieur des bâtiments avec une mobilité réduite (10 km/h),

 384 kb/s en ville (120 km/h),

 144 kb/s à la campagne avec une grande mobilité (500 km/h)

C’est mieux, mais c’est limite pour le

multimédia

(77)

Les évolutions

Il faut rentabiliser l’UMTS et on parvient à 8 à 10 Mbps en envoyant

simultanément des données codées différemment

C’est le 3,5 G ou 3G+

On peut penser à des évolutions à long terme (LTE) avec de nouvelles

techniques en cours de mise au point

vers 2012 ?

Références

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