Réseaux cellulaires : principes et normes Copies des transparents du cours
ESPRIT
Année : 2012 / 2013
Houda KHEDHER
De quoi allons nous parler ? • • • • • • •
Historique et panorama des réseaux mobiles Propagation en environnement radio-mobile Accès au canal radio Signalisation Le système GSM Gestion de la mobilité réseau Gestion de la mobilité radio dans les réseaux de générations 2, 2.5 et 3 • Introduction au système GPRS • Introduction au système UMTS Houda KHEDHER
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Panorama des réseaux mobiles Historique : Évolution des communications mobiles Typologie des réseaux mobiles
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Historique (1) • 1678: Travaux de Huygens sur les phénomènes de réflexion et de réfraction de la lumière
• 1818: Fresnel démontre la nature ondulatoire de la lumière • 1831 : Michael Faraday (induction électro-magnétique)
• 1867 : James Clerk Maxwell (équations électricité-magnétisme) • 1876: Invention du téléphone par Graham Bell • 1887: Heinrich Rudolph Hertz (découverte des ondes hertziennes et mise en évidence de la théorie de Maxwell)
• 1896: Guglielmo Marconi (télégraphe sans fil) • 1901 : Télégraphie sans fil (point-à-point) • 1921 : Télégraphie sans fil (point-à-multipoint) Houda KHEDHER
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Historique (2) Téléphonie sans-fil • 1899-1902 : Téléphonie half-duplex (applications militaires) • 1928 : Téléphonie unidirectionnelle sans-fil • 1945 : Téléphonie half-duplex (applications civiles) • 1940-50 : Réseaux mobiles Systèmes de diffusion (radio et TV) Émetteurs couvrant plusieurs dizaines de kilomètres : puissants, Placés sur des sites élevés.
Premiers systèmes semi-cellulaires : pas de mobilité, grandes zones, faible capacité, … Génération « 0 »
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Historique (3) Réseaux cellulaires Concept cellulaire : recouvrement des cellules avec modulation analogique • Fins des années 1940 (Bell Labs) • Congestion de fréquences • 1960-70 : augmentation de la demande Densification Utilisation poussée du concept cellulaire Introduction du transfert inter/intracellulaire (Handover) Réseaux de première génération Houda KHEDHER
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Historique (4) Services RNIS radio-mobiles • 1991 : GSM (téléphonie, données faible débit, SMS, services supplémentaires, …) Réseaux de téléphonie mobile numérique : 2G Emergence des données mobiles : Transmission de données paquet CDPD (Cellular Digital Packet Data), GPRS (General Packet Radio Service), P-PDC : Données paquet sur l’interface radio
Réseaux de génération 2,5 G Services multimédia : MMS, WAP (Wireless Application Protocol), IMode (WAP à la mode Japonaise), …
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Historique (5) Multimédia mobile (3G) IMT-2000 : Internet + GSM Services mobiles multimédia haut débit 2 Mb/s en indoor, mobilité réduite (10 km/h) 384 kb/s en outdoor urbain (120 km/h) 144 kb/s en outdor rural, mobilité importante Qualité de service variable (BER : 10 -3 – 10-6, délais : 30-300 ms) Transmission asymétrique et à débit variable Services multiples par usager Parole Données Vidéo Multimédia
L’accès sans fil aux réseaux 4G : Très hauts débits pour l’Internet haut débit, la TV, des réseaux tout-IP Houda KHEDHER
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Objectifs des réseaux mobiles • Offrir une large couverture – – – –
Génération 0: une ville Génération 1: un pays Génération 2: un continent Génération 3: le monde
• Offrir un service à de nombreux usagers • Intégrer de plus en plus de services Houda KHEDHER
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Evolution du marché
Source : Ericsson Houda KHEDHER
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Principaux intervenants du secteur des mobiles (1) Constructeurs (équipementiers) - Infrastructure réseau
- Infrastructure radio - Terminaux
Opérateurs - Publics
- Privés
Régulateur - Gestion des ressources rares
- Contrôle des obligations des opérateurs,… Houda KHEDHER
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Principaux intervenants du secteur des mobiles (2) Législateur Installateurs - Déploiement d’équipements
- Maintenance
Fournisseurs de services Distributeurs ou Sociétés de Commercialisation de Services - Subvention des terminaux - Lignes, cartes de recharge
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Typologie des réseaux radio-mobiles
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Classification des systèmes radio-mobiles • Systèmes cellulaires (cellular systems) – GSM, UMTS, IS-95
• Téléphones sans cordon (cordless phones) – CT-2, DECT (Europe), PHS (Japon)
• Systèmes de radiocommunications professionnelles (PMR : private mobile radio) • Radiomessagerie unilatérale (paging systems)
• Systèmes par satellites (satellite systems) • Systèmes réservés à la transmission de données
(mobile data systems)
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Les systèmes radio-mobiles
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Générations et normes de réseaux mobiles
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Réseaux de mobiles et cellulaires • Qu’est ce qu’un réseau de mobiles? Ensemble des équipements terminaux mobiles qui utilisent la voie hertzienne pour communiquer
• Qu’est ce qu’un réseau cellulaire? Réseau constitué de cellules, ou zones géographiques, dont tous les points peuvent être atteints à partir d’une même antenne
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Architecture générale d’un réseau radio-mobile
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Architecture générale d’un réseau GSM
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Éléments d’un système de communications radio (1)
Sous-système réseau RTCP
Sous-système radio
Sous-système de contrôle
Terminaux mobiles
Terminaux fixes Houda KHEDHER
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Éléments d’un système de communications radio (2) • Sous-système radio (BSS, Base-Station SubSystem) : c’est le réseau d’accès radio qui assure l’émission et la réception des appels et gère la ressource radio. • Sous-système réseau (NSS, Network Subsystem): comprend l’ensemble des fonctions nécessaires à l’établissement des appels et à la gestion de la mobilité, routage des appels, stockage et mise à jour des données des abonnés, connecté au RTCP par des commutateurs passerelle • Sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS, Operation subsystem): supervision et contrôle des soussystèmes radio et réseau. Centralise la commande de l’opérateur Houda KHEDHER
Systèmes cellulaires
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Systèmes cellulaires (1) Architecture cellulaire
MS
BS
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Systèmes cellulaires (2)
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Systèmes cellulaires (3) Spécificités des systèmes cellulaires Gestion de la mobilité des abonnés Gestion de l’interface radio
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Évolution des générations de réseaux cellulaires (1) Fonctionnalités
Services de données haut débit Services multimédia bande étroite et large bande Global, macro, micro et pico cellules Spectre plus large Voix, messagerie et services de données PCS et cellulaire numérique Très hauts débits Macro, mini, micro et pico cellules Multimédia Téléphonie mobile Technologie cellulaire analogique Cellules macro
2G
1G
1980
1990
2000
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3G
4G
2010
2020
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Évolution des générations de réseaux cellulaires (2) Analogique AMPS, NMT, NTT 1G
Numérique GSM, PDC, IS-95, … 2G
Données < 300b/s
9,6-64 kb/s (paquet)
Numérique haut débit IMT 2000 3G
4G 2 Mb/s (best effort/indoor)
64-384 kb/s (outdoor) 2 Mb/s (indoor) Houda KHEDHER
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Concept cellulaire (1) Problème de base = comment : Desservir une région de taille importante (pays, continent), Avec une largeur de bande limitée, Avec une densité d’usagers importante ou qui peut augmenter ? Concept cellulaire Houda KHEDHER
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Concept cellulaire (2) • Pourquoi le recours au concept cellulaire? – Pénurie des ressources radio Nombre de canaux limité – Les premiers réseaux mobiles se composent de quelques émetteurs qui couvrent des zones importantes et non interconnectées Communications interrompues – Déploiement à l’échelle d’un pays ou d’un continent d’un système à grande capacité Concept cellulaire
• Principales fonctions d’un système cellulaire – – – –
Traitement d’appel Gestion de la localisation Maintien de la communication en cours de déplacement Authentification et sécurité des informations transmises Houda KHEDHER
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Concept cellulaire (3) • Principe d’un système cellulaire – Chaque opérateur dispose: • d’une zone à couvrir Zone découpée en petits territoires appelés cellules 1 cellule plusieurs canaux de la bande Une cellule est desservie par une station de base (BS ou Base Station) qui fait l’interface entre le réseau filaire et l’abonné mobile • d’une bande de fréquences duplex 1 bande = plusieurs canaux duplex 1 canal = 1 communication unique Houda KHEDHER
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Intérêt du concept cellulaire f7 f2 f6 f1 f3 f5 f4
F R
Cluster
r Zone A
Zone A
1er cas : R = 10 Km avec N = 7 fréquences 7 communications simultanées 2ème cas : r = 500m (R2/r2) = 400 communications
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Réutilisation de fréquences Concept cellulaire Changement dynamique de fréquence pour un mobile pendant une communication en fonction de ses déplacements dans le réseau
Handover (transfert intra/inter cellulaire) Réutilisation de fréquences (sans créer d’interférences) dans des cellules suffisamment éloignées l’une de l’autre Mécanisme de réutilisation des fréquences : Repose sur la propriété d’atténuation des signaux avec la distance Cellules utilisant la même fréquence (= Co-cellules)
augmenter le nombre de communications simultanées dans le réseau fournir potentiellement une capacité illimitée avec des bandes de fréquences peu importantes Houda KHEDHER
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Distance de réutilisation
D
R
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Notion de cluster (1) • Le plus petit groupe de cellules utilisant l'ensemble de la bande de fréquence du système est appelé motif (ou cluster). Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir Exemple de motif à 7 cellules f3 f4
f2 f1
f5
f3
f4 f7
f6
f2 f1
f5 f3
f4
f7 f6
f2 f1
f5
f7
f6
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Notion de cluster (2) Motif hexagonal : Placement optimal des stations de base, permet un recouvrement régulier, Hexagone régulier : figure géométrique permettant un pavage facile, le plus proche de la forme circulaire (forme idéale) Représentation circulaire peu pratique : un pavage en disques fait apparaître des zones de recouvrement ou de trous de couverture
Motif hexagonal nombre plus faible de cellules et donc moins de sites (un système basé sur des cellules hexagonales coûte moins cher qu’un système basé sur des cellules triangulaires ou carrées) Houda KHEDHER
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Exemples de motifs à 3, 4 et 7 cellules Problème : interférence co-canal
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Nombre de cellules par Cluster (1)
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Nombre de cellules par Cluster (2) • N = i2 + ij + j2
avec i et j entiers naturels positifs ou nuls
1 2 3 4
1 3 7 13 21
2 7 12 19 28
3 13 19 27 37
4 21 28 37 48
• Les clusters peuvent être constitués de 1, 3, 4, 9, 12, 13, 16, 19, 21…cellules • Pour les réseaux analogiques : Motif 7/21 un bloc de 7 sites incluant 3 cellules par site • Pour le cas des réseaux numériques tel que le GSM le motif 4/12 est utilisé. Houda KHEDHER
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y
x
Y’2 x2
y2 U
x1
y’1 x’ x’1
x’2
y1
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Nombre de cellules par Cluster (3) • Motif 4/12
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Sectorisation des cellules (1) • Entretien des BTS : coût élevé • Réduction du nombre de sites – antenne directrice couvrant une cellule hexagonale depuis l’un des coins – En un coin, 3 BTS couvrant 3 cellules
• Sectorisation 120° ou 60° Houda KHEDHER
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Sectorisation des cellules (2) Cellule tri-sectorielle
Cellule 6-sectorielle
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Schéma de sectorisation • Motif 4/12
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Combinaisons motifs/secteurs 1
4 2 7
11 12
5 6
3 10
4 2 7
11 12
8 9
8
9 1
5 6
3
7 11
12
4 2
10
5 6
3 7
11 12
5 6
3
8
1
4 2
10
9
10
1
8 9
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Systèmes sans cordon
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Systèmes Sans Cordon ou Cordless Systems (1) • Caractéristiques – Systèmes simples à installer et gérer – Communications bi-directionnelles – Qualité de parole très proche de celle des terminaux fixes
• Systèmes de première génération (CT1) – Un terminal communique avec une base unique raccordée directement au RTCP
• Systèmes de deuxième génération numériques (CT2, DECT)
– Accès au réseau téléphonique pour plusieurs terminaux via une borne publique, borne résidentielle, borne privée (PABX d’entreprise) Houda KHEDHER
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Systèmes Sans Cordon ou Cordless Systems (2) • Applications Résidentielle (borne domestique) Professionnelle (PABX sans fil) Publique (télépoint) Radio dans la boucle locale (WLL)
• Limites – Faible portée (quelques dizaines à quelques centaines de mètres)
– Faible mobilité des usagers
• Avantages – Durée d’autonomie importante des terminaux – Organisation anarchique – Moins coûteux et moins complexes que les systèmes cellulaires Houda KHEDHER
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Systèmes sans cordon (3) Structure d’un système sans cordon
Borne publique
PABX d’entreprise
RTC
Terminal
WLL
Borne domestique Base de données des abonnés
Système de tarification Houda KHEDHER
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Systèmes sans cordon (4) DECT (Digital European Cordless Telephone) • Technologie – – – –
Bande de fréquence 1,8Ghz Utilisation de slots de type TDMA Débit : 552 Kbit/s Distance : 300m pour 100mW
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Systèmes par satellites
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Systèmes par Satellites (1) Satellite
Station terrienne MS
Voix
Centre de gestion
RTCP
données
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Systèmes par Satellites (2) • Principe : – Infrastructure au sol (stations terriennes et centres de gestion) – Satellites – Équipements embarqués (stations mobiles)
• Services : – Voix et données – Localisation – Messagerie
• Population visée : – Navires (commerciaux ou de plaisance) – Avions – Transport routier
• Systèmes : – GMPCS – Inmarsat, Thuraya – Teledesic, …
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Systèmes de Radiocommunications Professionnelles
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Systèmes de Radiocommunications Professionnelles (SRP) Systèmes « conventionnels » très simples : allouer une fréquence par flotte (un ou plusieurs groupes d’usagers) • Population visée – Utilisation réservée et dédiée à des groupes fermés d’utilisateurs (membres d’une entreprise, d’un service, d’une administration) • Échanges à caractère opérationnel (information, commande, accusé de réception)
• Services offerts – Voix – Données – chiffrement Houda KHEDHER
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Systèmes de Radiocommunications Professionnelles (SRP) Les réseaux radio à ressources partagées (3RP) ou systèmes trunk – 5 à 20 canaux duplex gérés par un contrôleur (microordinateur) – Un canal n’est alloué à un usager que pour la durée de la communication – Les usagers sont identifiés par des numéros – Plusieurs flottes cohabitent sur le même système – Canaux de signalisation nécessaires : • Pour le paging (recherche de mobile) • Pour la demande de connexion (appel initié par le mobile) Houda KHEDHER
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Structure générale d’un 3RP
Contrôleur
Relais
Terminal de supervision
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Systèmes de radiomessagerie unilatérale
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Radiomessagerie Unilatérale (1) • Principe – Émetteurs (stations de base terriennes ou satellites) – Mobiles (pagers) fonctionnant en réception uniquement – Envoi de messages à travers le RTCP (automatique ou opératrice)
• Services – Bip (Quelqu’un cherche à vous joindre) – Messages numériques, alphanumériques ou vocaux
• Population visée – Professionnels – Grand public Houda KHEDHER
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Radiomessagerie Unilatérale (2) • Deux catégories de systèmes – Systèmes publics à couverture étendue (région ou un pays) • Plusieurs émetteurs de puissance moyenne ou élevée • Les appels vers les récepteurs sont émis à travers le RTC ou un réseau de transmission de données • Appels stockés de quelques secondes à quelques minutes avant d’être émis de façon groupée – Systèmes privés (site unique de quelques centaines de mètres à quelques dizaines de kilomètres de portée) • Site d’étendue limitée à quelques récepteurs • Les appels vers les récepteurs sont émis par un opérateur manuel ou à travers un commutateur privé • Émission immédiate des messages Houda KHEDHER
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Radiomessagerie Unilatérale (3)
Émetteur
Sous-système radio
Sous-système d’accès
Cœur du réseau Pagers
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RTC ou X25
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Réseaux de transmission de données • Deux types de réseaux Réseaux locaux sans fil (WLAN : Wireless Local Area Network) - HIPERLAN - IEEE 802.11 Réseaux étendus (Réseaux Radio Réservés aux Données : 3RD) - MOBITEX - CDPD (Cellular Digital Packet Data) - ARDIS (Advanced Radio Data Information Services)
• Principe - Transmission par paquets
• Applications - Professionnelles - Grand public Houda KHEDHER
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Nombre de cellules par cluster (3) • • • •
Soit un cluster de forme hexagonale N : nombre de cellules par cluster a : surface de la cellule A : surface du cluster R2 3 a3 3 , si U 3R, unité de distance, a 2 2 Distance entre 2 co cellules D D 1 D2 A 2 A3 3 3 , donc N D2 cos 30 2 2 a D2 en réintroduisant U on a : N 2 3R Houda KHEDHER
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