Evolution des technologies des télécoms vers la 4G

Evolution des technologies des télécommunications vers la 4ème génération

Introduction Nous vivons dans un monde sans précédent, avec des dimensions et des horizons totalement nouveaux, dans lequel les limites de la technologie et de l’imagination ont été repoussées à l’infini. Ceci décrit une nouvelle et troisième révolution dans l’histoire de l’humanité: L’ère de l’Information. La première révolution a été agricole, la seconde

industrielle, la troisième est informationnelle, elle est symbolisée par la fusion des technologies de l’information, de la communication et des médias.

Dans le cadre de cette révolution, les technologies des télécommunications connaissent une évolution permanente depuis l'apparition des services de la radiotéléphonie cellulaire qui ont aboutit au GSM comme premier p remier pas dans le passage de l'analogique au numérique. Ce premier pas a ouvert la porte à des améliorations constantes, dont le but était à chaque fois de répondre aux besoins de bande fréquentielle, de débit et de volume de données. Chaque nouvelle génération permettait une meilleure optimisation de ces ressources mais se retrouvait confrontée à de nouvelles limitations. Comme les applications destinées aux réseaux locaux sans fils sont devenues de plus en plus nombreuses et que le bon fonctionnement de celles ci nécessite des débits de transmissions importants, la migration vers une nouvelle génération est devenue nécessaire pour optimiser les bandes de fréquences et supporter le transfert de volumes très importants de données. En effet, l'augmentation du débit de connexion est devenue nécessaire aux modes de consommation des usagers. Aujourd’hui, le volume des données échangées par réseau mobile dépasse celui de la voix. Par conséquence, les systèmes issus de la 4ème génération devraient favoriser le transfert de données à plus longue portée et à plus grande vitesse. De même, ils permettraient de généraliser des usages tels que la télévision mobile personnelle, le téléchargement, le streaming, la vidéoconférence…

En dehors des télécoms, les solutions 4ème génération sont également utilisables dans les firmes automobiles, avec des véhicules équipés de service mobile à haut débit. La 4G permettra aux utilisateurs d’ordinateurs portables d'envoyer des informations très lourdes et aux utilisateurs d’un téléphone multimédia d'accéder plus vite à Internet, ce qui

pourrait encore dynamiser le marché des applications mobiles, des services (météo, GPS, etc.) ou contenus (actualités, radios, jeux) auxquels on accède sur les terminaux du type iPhone ou BlackBerry. BlackBerry.

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Côté équipementiers, la 4G constitue un véritable relai de croissance. Afin de l'exploiter, ils doivent convaincre les opérateurs pour effectuer un passage progressif à la 4G. Les opérateurs doivent investir dans ce nouveau réseau, qui va être, paraît-il moins couteux que ceux des anciennes générations. Dans certains cas, il n'y a pas d'autres choix, les réseaux 3G sont saturés, dans d'autres, on peut encore attendre. Une augmentation rapide des clients est toutefois prévue, d'ici 2014, à condition que les terminaux compatibles soient disponibles. Dans ce rapport, nous allons exposer les différentes générations qui ont précédé l a 4G, leurs caractéristiques, leurs avantages et leurs limitations ce qui va nous permettre de constater l'évolution des technologies des télécommunications qui a aboutit à la 4G qui permet la meilleure optimisation des ressources jusqu'à présent.

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Côté équipementiers, la 4G constitue un véritable relai de croissance. Afin de l'exploiter, ils doivent convaincre les opérateurs pour effectuer un passage progressif à la 4G. Les opérateurs doivent investir dans ce nouveau réseau, qui va être, paraît-il moins couteux que ceux des anciennes générations. Dans certains cas, il n'y a pas d'autres choix, les réseaux 3G sont saturés, dans d'autres, on peut encore attendre. Une augmentation rapide des clients est toutefois prévue, d'ici 2014, à condition que les terminaux compatibles soient disponibles. Dans ce rapport, nous allons exposer les différentes générations qui ont précédé l a 4G, leurs caractéristiques, leurs avantages et leurs limitations ce qui va nous permettre de constater l'évolution des technologies des télécommunications qui a aboutit à la 4G qui permet la meilleure optimisation des ressources jusqu'à présent.

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1. Les réseaux 2G et 2G + La seconde génération de réseaux mobiles, notée 2G, a marqué une rupture avec la première génération de téléphonie s cellulaires grâce au passage de l’analogique vers le numérique. Grâce aux réseaux 2G, il est possible de transmettre la voix ainsi que des données numériques de faible volume, par exemple des messages textes, SMS pour Short Message Service, ou des messages multimédias, MMS pour Multimedia Message Service. La norme GSM permet un débit maximal de 9,6 kbps. Des extensions de la norme GSM ont été mises au point afin d’en améliorer le débit. C’est le cas notamment du standard GPRS, General Packet Radio System, qui permet d’obtenir des débits théoriques de l’ordre de 114 kbit/s, plus proche de 40kbit/s dans la réali té. Cette technologie ne rentrant pas dans le cadre de l’appellation« 3G » a été baptisée 2.5G . La norme EDGE, Enhanced Data Rates for Global Evolution, présentée comme 2.75G quadruple les améliorations du débit de la norme GPRS en annonçant un débit théorique de 384 Kbps, ouvrant ainsi la porte aux applications multimédias.

1.1. GSM : GSM (Global System for Mobile communications), le standard le plus utilisé en Europe à la fin du XXe siècle, supporté aux Etats-Unis. Ce standard utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz en Europe. Aux Etats-Unis par contre, la bande de fréquence utilisée est la bande 1900 MHz.

1.1.1.

Architecture:

Un réseau GSM est constitué de trois sous-systèmes : Le sous-système Radio BSS Base Station Sub-system. Le sous-système Réseau NSS Network and Switching Sub-system. Sub -system. Le sous-système d’exploitation OSS Operation Support Sub -system. Ainsi, on peut représenter schématiquement un réseau radio mobile de la manière suivante :

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a) Le sous-système radio BSS (Base Station Sub-system) :

Sa fonction principale est la gestion de l’attribution des ressources radio, indépendamment

des abonnés, de leur identité ou de leur communication. On distingue dans le BSS : La station de base BTS (Base Transceiver Station) : 

Elle permet le dialogue avec le mobile sur l’interface Air (aussi appelée interface

Radio ou interface Um). Le contrôleur de station de base BSC (Base Station Controller) : Il assure le contrôle d’une ou de plusieurs BTS. La plupart des fonctions intelligentes de BSS sont implantées à son niveau, notamment les fonctions de gestion des ressources radioélectriques. 

b) Le sous-système réseau NSS (Network Station Sub-system) :

Il assure principalement les fonctions de commutation e t de routage. C’est donc lui qui permet l’accès au réseau public RTCP ou RNIS. En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme GSM. 

Le MSC (Mobile Services Switching Center) :

C’est la partie centrale du NSS. Il prend en charge l’établissement des communications de et vers les abonnés GSM. Du fait de la mobilité, l’implantation de la seule fonction de commutation n’est pas suffisante. Le MSC gère la mobilité et les fréquences et enregistre la

localisation des abonnés visiteurs (base de données VLR). Le HLR (Home Location Register) 

C’est la base de données qui gère les abonnés d’un PLMN donné. Elle contient toutes les informations relatives à l’abonnement et aux droits d’accès. D’autre part, le HLR est une

base de données de localisation. Il mémorise pour chaque abonné le VLR où il est enregistré. Le VLR (Visitor Location Register) C’est la base de données qui gère les abonné s présents dans une certaine zone 

géographique. Ces informations sont une copie de l’original conservé dans le HLR.  L’AuC (Authentication Center)

Il mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour le chiffrement des communications. Un AuC est en général associé à chaque HLR. c) Le sous-système opérationnel OSS (Operating Sub-System) :

Il assure la gestion et la supervision du réseau. C’est la fonction dont l’implémentation est

laissée avec le plus de liberté dans la norme GSM. La supervision du réseau intervient à de nombreux niveaux : » Détection de pannes. » Mise en service de sites. » Modification de paramétrage. » Réalisation de statistiques.

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1.1.2.

Les méthodes d’accès :

Dans les réseaux de mobiles, la transmission radio passe par l’ interface radio, que se partagent les utilisateurs d’ une même cellule. Plusieurs méthodes permettent aux mobiles d’accéder à la ressource radio. Ces méthodes ont toutes pour principe de diviser la bande de fréquences en plusieurs canaux physiques assurant la communication tout en respectant les contraintes permettant d’ éviter les interférences. Les trois principales méthodes d’ accès utilisées par les réseaux de mobiles sont FDMA Frequency Division Multiple Access, TDMA Time Division Multiple Access et CDMA Code Division Multiple Access. a) Le FDMA :

L’accès multiple par division de fréquences repose sur un multiplexage en fréquences qui

divise la bande de fréquences en plusieurs sous-bandes qui sont chacune placée sur une fréquence spécifique du canal (porteuse ou carrier). Chaque porteuse ne peut transporter que le signal d’un seul utilisateur. Cette méthode est essentiellement utilisée dans les réseaux analogiques. b)

Le TDMA :

L’accès multiple par division temporelle offre la totalité de la bande de fréquences à chaque

utilisateur pendant une fraction de temps donnée (slot ou intervalle). L’émetteur de la station mobile stocke les informations avant de les transmettre sur le slot. Les différents slots sont regroupés sur une trame, le système offrant ainsi plusieurs voies de communication aux différents utilisateurs. La succession des slots dans les trames forme le canal physique de l’utilisateur. Le récepteur enregistre les informations à l’ arrivée de chaque slot et reconstitue le signal à la vitesse du support d e transmission. Cette méthode s’ utilise principalement pour la transmission de signaux numériques. c) Le CDMA :

L’accès multiple p ar division de codes autorise l’ allocation de la totalité de la bande de fréquences, de manière simultanée, à tou s les utilisateurs d’ une même cellule. Pour ce faire, un code binaire spécifique est octroyé à chaque utilisateur qui s’en servira pour transmettre l’information en format binaire d’ une manière orthogonale (c’est à dire sans interférence

entre les signaux). En CDMA, chaque utilisateur dispose de toute la largeur de la bande passante. L’attribution de différents codes permet une réutilisation de la même fréquence dans les cellules adjacentes (avantage par rapport au FDMA et au TDMA). Toutefois, lorsque le nombre de communications simultanées augmente, un problème d’ auto-interférence entre en jeu : excédant le nombre maximal de codes attribués, la surcharge de la cellule affecte en outre tous les autres utilisateurs par l’ interférence provoquée sur leurs canaux, alors qu’ en comparaison, un seul utilisateur est brouillé en TDMA.

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1.1.3.

Caractéristiques :

a) Sécurité de la communication :

Pour éviter les écoutes frauduleuses des communications, le système GSM utilise les moyens suivants : 

Authentification de l’abonné avant l’accès à une communication. L’utilisation d’une identité temporaire (TMSI = Temporary Mobile Station identity)



Le cryptage des communications (chiffrement).



b) Gestion de la mobilité :

Pour établir une communication il faut localiser le mobile. Ainsi la cellule diffuse sur le canal de broadcast son identité que le terminal intercepte pour se localiser. La gestion de mobilité consiste à maintenir un enregistrement dynamique de tous les mobiles actifs sur le réseau. Les signaux échangés entre BTS et mobiles sont constamment communiqués au réseau. Et lorsque le signal de la BTS actuelle est faible comparé à celui des BTS au voisinage du mobile; le réseau décide d’un Handover.

Handover : Lorsque le mobile se déplace, il arrive un moment où la communication entre lui et la station avec laquelle il dialogue (A) finit par être moins bonne que la communication avec une nouvelle station (B). Dans ce cas, le contrôle du mobile est passé à B qui définit les nouvelles fréquences de la communication avec le mobile et échange les informations nécessaires avec les centres de gestion des communications, et en particulier le centre qui gère A pour que la communication avec M se poursuive de manière transparente. Pour qu’un mobile puisse être joint, le réseau, et en particulier le centre de communication où ce mobile est répertorié, doit pouvoir le retrouver. Pour cela les stations de base envoient des signaux pour interroger les mobiles susceptibles de se trouver dans la cellule qu’elles

couvrent. Les mobiles répondent à ces signaux en indiquant les caractéristiques qui les identifient. Ces informations sont renvoyées au centre de gestion, qui lorsqu’il reçoit un appel vers le mobile dirige la communication vers la station de base qui a établi le contrôle avec le mobile.

1.1.4.

Limitations :

Si le GSM était le premier à permettre de transmettre la voix numérique et offrir un vaste éventail de services de télécommunications compatibles avec ceux des réseaux fixes. Le débit offert reste limité, le temps d’ établissement est long de l’ordre de 25s. En plus la facturation est selon le temps de connexion et non pas en fonction du volume de données transférées. Or les opérateurs veulent une utilisation efficace de la ressource radio (débit à la demande), un accès simplifié aux réseaux paquet (Internet), en plus desservir plus d’utilisateurs selon les besoins de transfert(en spécifiant la QOS).

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1.2. GPRS : Le GPRS, General Packet Radio Service, est une technologie dite 2,5G car elle contient la voix et les données. C'est une technique de transmission de données en commutation de paquets, permettant ainsi de ne pas mobiliser de canal de communication, et donc autorisant une tarification plus souple pour l'utilisateur. Outre cet avantage non négligeable, GPRS permet d'atteindre un débit théorique maximal de 171,2 kb its/s, ce qui correspond à un débit d’ environ 115 kbits/s pour l'utilisateur final dans des conditions optimales. Cependant, il ne faut pas oublier que GPRS s’appuyant sur le ré seau GSM, ils se complètent alors tous les deux. En effet, l’architecture GSM fournit les services voix, tandis que l’ architecture GPRS fournit

les services de données par paquets avec un débit élevé. Ainsi, les applications basées sur des protocoles de données standard sont supportées par le protocole GPRS. Le protocole utilisé dans GPRS pour la transmission des paquets de données utilisateur et de signalisation entre entités GPRS, via l'établissement de tunnels de communication. On peut donc résumer les principaux points forts du GPRS comme étant le temps d'accès réduits, de l'ordre d’une seconde pour commencer un transfert de données, un débit plus élevé qu'en GSM, un mode de commu tation par paquets permettant d’ utiliser les ressources radios, et enfin la possibilité de facturer en fonction du volume de données transféré plutôt qu’en fonction du temps de connexion.

1.2.1.

Architecture :

Comme nous l’avons mentionné, GPRS est un service complément de GSM et s’intègre dans ce dernier. C’est pourquoi nous verrons le sous réseau GSM dans l’ architecture GPRS. Nous

allons voir les différentes parties qui composent cette architecture avec les interconnexions entre ces entités. C’est ici que nous présentons l’architecture générale d’ un réseau GPRS avec la figure suivante :

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Voici maintenant un descriptif de chacune des entités du réseau GPRS : • SMS-GMSC (Short Message Service. Gateway Mobile Services SwitchingCenter) et SMS-

IWMSC (Short Message Service. InterWorking MSC) : ces deux MSC sont des commutateurs dédiés au service des messages courts. • SMS-SC (Short Message Service. Service Center) : cette entité est très importante dans le traitement des messages courts. • PCU (Packet Control Unit) : cet équipement gère les fonctions de couches basse s, c’est-àdire les protocoles RLC, MAC, contrôle de puissance, adaptation des débits pour envoyer sur le réseau « GPRS ». Il gère les fonctions de transmissions et d’ acquittements. • SGSN (Serving GPRS Support Node) : serveur d’ accès au service GPRS (Équivalent au MSC), et qui gère les MS présentes dans une zone donnée. Son rôle est de délivrer des paquets aux MS. • GGSN (Gateway GPRS Support Node) : routeur connectant le réseau GPRS et un réseau externe de commutation par paquets (IP ou X.25). Il sert de passerelle entre les SGSN du réseau GPRS et les autres réseaux de données.

1.2.2. Classes de terminaux GPRS : Le GPRS implique un changement au niveau utilisateur. En effet, si un utilisateur désire bénéficier de ce type de services, vu que les débits augmentent, les besoins en modulation/démodulation et en codage/décodage du canal augmentent également. Par conséquent, un nouveau type de terminal est nécessaire. Pour cela, la norme GPRS utilise les classes de terminaux : les classes lettres : Classe A : le terminal peut être en communication simultanément sur le service GPRS et sur d’ autres services GSM.

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Classe B : le terminal peut être déclaré sur les réseaux GPRS et GSM, et écouter simultanément les deux signalisations. Le terminal ne peut être en communication que sur le service GPRS ou le service GSM. Classe C : le terminal ne peut être utilisé que pour les services GPRS. Les terminaux de classe A sont caractérisés par une grande capacité. Ils peuvent émettre et recevoir des appels de type circuit voix ou données et fax de façon simultanée avec un transfert de données par paquet. Les terminaux de classe C ne gèrent que les données par paquet et ne possèdent pas de capacité pour supporter les appels voix. Ce type de terminal est idéal pour les ordinateurs portables ou les assistants personnels. En effet, un utilisateur peut brancher un terminal compatible GPRS sur son ordinateur portable afin de profiter de l’ Internet mobile. Les terminaux de classe B constituent un compromis entre les deux types de terminaux précédents. Ils peuvent gérer à la fois, les demandes de données circuit et paquet. Ils peuvent également effectuer l'une ou l'autre des connexions, mais une seule à la fois. Le transfert des données est suspendu au cours d’ un appel voix par exemple.

1.3. EDGE : Le standard EDGE, Enhanced Data Rates for GSM Evolution, est une évolution de la norme GSM, modifiant le type de modulation. Tout comme la norme GPRS, le standard EDGE est utilisé comme transition vers la troisième génération de téléphonie mobile 3G. On parle ainsi de 2.75G pour désigner le standard EDGE. L’EDGE utilise une modulation différente de la modulation utilisée par GSM, ce qui implique une modification des stations de base et des terminaux mobiles. L'EDGE permet ainsi de tripler le débit des données avec une couverture plus réduite. Dans la théorie EDGE permet d'atteindre des débits allant jusqu'à 384 kbit/s pour les stations fixes (piétons et véhicules lents) et jusqu'à 144 kbit/s pour les stations mobiles (véhicules rapides).

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2. Les réseaux 3G et 3G+ Les spécifications IMT-2000, International Mobile Telecommunications for the year 2000, de l'Union Internationale des Communications UIT, définissent les caractéristiques de la 3G, troisième génération de téléphonie mobile. Elle est caractérisée par un haut débit de transmission et une compatibilité internationale et même avec les réseaux de seconde génération. La 3G permet d'atteindre des débits supérieurs à 144 kbit/s, ouvrant ainsi la porte à des usages multimédias tels que la transmission des vidéos, la visio-conférence ou l'accès à internet haut débit. Les réseaux 3G utilisent des bandes de fréquences différentes des réseaux précédents : 1885-2025 MHz et 2110-2200 MHz. La principale norme 3G utilisée en Europe s'appelle UMTS, Universal Mobile Telecommunications System, utilisant un codage W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access. La technologie HSDPA, High-Speed Downlink Packet Access, est un protocole de téléphonie mobile de troisième génération baptisé 3.5G, il permet d'atteindre des débits de l'ordre de 8 à 10 Mbits/s. Cette technologie utilise aussi le codage W-CDMA.

2.1. UMTS : L'évolution technologique introduite par le GPRS et EDGE s'est poursuivi avec l'UMTS. L'UMTS est une des normes de mobiles de 3ème génération (3G) qui s'inscrit dans un contexte mondial d'interopérabilité. Ce standard permet à la fois la téléphonie mobile et le transport de données avec un débit arrivant à 2Mbps. L'avènement de l'UMTS a remédié à la saturation des réseaux 2G existants et aux limitations du GPRS en introduisant de nouveaux services avec une QOS renforcée (images vidéo en direct, visioconférence mobile, etc …). L'apparition de la troisième génération de réseaux de mobiles est du à la fois à la saturation des systèmes actuels et au besoin d'une couverture universelle. Parallèlement à ceci, on peut citer parmi les raisons, la volonté de certains pays n'ayant pas d'infrastructure fixe adéquate ou ayant raté le train du GSM d'entrer rapidement dans la troisième génération.

2.1.1.

Architecture :

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

Réseau d'accès UTRAN :

Le réseau d’accès UTRAN est doté de plusieurs fonctionnalités. Sa fonction principale est de transférer les données générées par l’usager. Il est une passerelle entre l’équipement usager et le réseau cœur via les interfaces Uu et Iu. Cependant, il est chargé d’autres fonctions :

- Sécurité : Il permet la confidentialité et la protection des informations échangées par l’interface radio en utilisant des algorithmes de chiffrement et d’intégrité.

- Mobilité : Une estimation de la position géographique est possible à l’aide du réseau d’accès UTRAN.

- Gestion des ressources radio : Le réseau d’accès est chargé d’allouer et de maintenir des ressources radio nécessaires à la communication. - Synchronisation : Il est aussi en charge du maintien de la base temps de référence des mobiles pour transmettre et recevoir des informations. Le réseau d’accès UTRAN est composé de plusieurs éléments : une ou plusieurs stations de

base (appelées NodeB), des contrôleurs radio RNC (Radio Network Controller) et des interfaces de communication entre les différents éléments du réseau UMTS. 

Réseau cœur :

Le réseau cœur de l’UMTS est composé de trois parties dont deux domaines :

- Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie. - Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets. - Les éléments communs aux domaines CS et PS. 14 | P a g e

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Ces deux domaines permettent aux équipements usagers de pouvoir gérer simultanément une communication paquets et circuits. Ces domaines peuvent être considérés comme des domaines de service. Ce type d’archi tecture permet de pouvoir créer ultérieurement d’autres domaines de service.

2.1.2.

Services :

Le schéma ci- après présente les différents services que propose l’UMTS. Sur l’axe des ordonnées se trouve le débit demandé pour le service en question. Chacun des services est regroupé par leur type de connexion (bidirectionnel, unidirectionnel, diffusion point/multipoint).

On expose ici quelques services : 





Le visiophone de poche: ce service est sans doute l'un des plus spectaculaires des réseaux de la 3G. Les terminaux portables de la 3G seront dotés d'une sorte de miniécran de télévision permettant de voir l'interlocuteur avec lequel on dialogue. Messagerie et fax rapides : cette fonction existait déjà sur certains téléphones portables de seconde génération mais la vitesse d'émission et de réception des informations a augmenté considérablement pour les téléphones 3G. Téléchargement des images depuis internet et leur visionnement sur l'écran du téléphone mobile.

2.1.3.

Qualité de services :

L’UMTS propose 4 classes de qualité de services selon les applications :

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- La classe Conversational qui permet aux conversations vocales de proposer une bande passante contrôlée avec échange interactif en temps réel avec un minimum de délai entre les paquets. - La classe Streaming qui permet aux services de streaming de fournir une bande passante continue et contrôlée afin de pouvoir transférer la vidéo et l’audio dans les meilleures

conditions. - La classe Interactive destinée à des échanges entre l’équipement usager et l e réseau comme la navigation Internet qui engendre une requête et une réponse par le serveur distant. - La classe Background, qui affiche la plus faible priorité, permet des transferts de type traitements par lots qui ne demandent pas de temps réel et un minimum d’interactivité

(envoi et réception de messages électroniques).

2.1.4.

Limitations :

UMTS se retrouve cependant limitée par quelques inconvénients : • Investissements très importants à réaliser pour la mise en place de l'infrastructure. • Date de disponibilité du réseau et des équipements incertaine. • Débits limités et très dépendant de la mobilité des utilisateurs.

2.2. HSPDA : Dans la conception de l'UMTS, il était prévu d'offrir un débit de 2Mbps à un usager. Dans la pratique, le débit le plus élevé est de 384 kbps. Avec un débit de transmission de 3,84 Mbps. Offrir 2Mbps à un utilisateur nécessite de dédier toutes les ressources à ce dernier et empêcher, en pratique, toute autre transmission. Pour lever cette limitation, une nouvelle technique de transmission appelée HSDPA, High Speed Downlink Packet Access est apparue. Le HSPDA permet d'atteindre un débit de 14 Mbit/s (au lieu de 2 Mbit/s) ainsi augmenter la capacité du système. Il supporte les deux modulations QPSK et 16-QAM, le codage et la modulation sont adaptés dynamiquement en fonction de la qualité du lien radio.

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3. La 4 ème génération : Le monde des télécommunications est toujours en mouvement. Les technologies ne cessent d’être développées tout en présentant des avantages et des inconvénients les unes par rapport aux autres. Certaines sont mieux adaptés à certains besoins, tandis que d’a utres ne constituent qu’une plate forme pour le développement de nouveaux services. Le protocole LTE (Long Term Evolution) vient d’être lancé et semble être capable de combler certaines

lacunes laissées par son rival le Wimax. Quelles sont alors les caractéristiques de cette technologie ?

3.1. LTE : LTE (Long Term Evolution) est le nom d'un projet au sein du 3GPP (Organisme de standardisation) qui vise à produire les spécifications techniques de la future norme de réseau mobile de quatrième génération (4G).

La LTE s’inscrit dans la continuité des réseaux 3G actuels et exploite principalement deux

techniques : 

l’OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing), procédé de codage de signaux numériques déjà utilisé notamment pour l’ADSL et le Wi -Fi ;



le Mimo (Multiple inputs multiple outputs, littéralement "entrées multiples sorties multiples"), une technologie qui utilise plusieurs antennes au n iveau de l’émetteur et

du récepteur, alors que le Wi- Fi n’en utilise qu’une.

Pour les opérateurs, la LTE implique de modifier le cœur du réseau et les émetteurs radio. Il est également nécessaire de développer des terminaux mobiles adaptés.

En terme de vocabulaire, le futur réseau s’appelle EPS (Evolved Packet System). Il est

constitué :  

d’un nouveau réseau d’accès appelé LTE (Long Term Evolution) d’un nouveau réseau cœur appelé SAE (System Architecture Evolution).

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3.1.1. o

Caractéristiques de l’accès LTE :

Débit sur l’interface radio :

L’interface radio E -UTRAN de LTE et qui est considéré comme étant le successeur à HSDPA et

HSUPA doit pouvoir supporter un débit maximum descendant instantané (du réseau au terminal) de 100 Mbits/s avec une allocation de bande de fréquence de 20 Mhz ainsi qu’un débit maximum montant instantané (du terminal au réseau) de 50 Mbit/s avec une allocation de bande de fréquence pareille de 20 Mhz. Ce qui correspond à une efficacité du spectre de 5 bit/s/Hz pour le sens descendant et de 2.5 bit/s/Hz pour le sens montant.

o

Connexion permanente :

La nouvelle technologie LTE permettra une connectivité permanente pour l’accès à internet.

Pourtant, et même si la connexion est permanente au niveau du réseau, il est nécessaire pour le terminal de passer de l’état IDLE correspondant à un état relâché à l’état actif lorsqu’il s’agira d’envoyer ou recevoir du trafic. Ce changement d’état s’opère en moins de

100 ms. o

Délai pour la transmission de données :

Pour transmettre des données, LTE garanti un délai de moins de 5 ms entre l’UE et l’Access Gateway dans une situation de non- charge où un seul terminal est actif sur l’interface radio. Quant à la valeur moyenne du délai, elle avoisine les 25 ms en situation de charge moyenne de l’interface radio. Chose qui permet de suppo rter les services temps réel IP notamment la voix sur IP et le streaming sur IP qui est un mode de transmission continu de données audio et vidéo. o

Mobilité :

La mobilité est assurée à des vitesses comprises entre 120 et 350 km/h. Le handover pourra s’effectuer dans des conditions où l’usager se déplace à grande vitesse. A noter que la LTE ne

permet que le hard handover et non pas le soft handover. o

Flexibilité dans l’usage de la bande passante :

LTE permettra d’avoir une bande passante modulable. Il permettra d’opérer dans des

allocations de bande de fréquence de différentes tailles incluant 1.25 ; 2.5 ; 5 ; 10 ; 15 et 20 Mhz. o

Coexistence et Interfonctionnement avec la 3G :

LTE supporte la mobilité entre les différents réseaux d’accès. Le handover entre l’interface E UTRAN de l’LTE et l’interface UTRAN de la 3G est réalisé en un délai moins de 300 ms pour

les services temps réel et 500 ms pour ce qui est des autres services non temps réel. Le handover pourra aussi s’effectuer entre LTE et la 2G ainsi qu’entre LTE et les réseaux CDMA 2000. 18 | P a g e

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3.1.2.

Caractéristiques du réseau EPS :

EPS (Evolved Packet System) représente l’ensemble du réseau, à savoir LTE et SAE. Il possède une architecture plate est simplifiée comparée à celle hiérarchique 2G/3G puisque la fonction de contrôleur d’antenne disparaît. La seule entité présente dans l’accès est l’eNodeB qui peut être assimilé à un node B+RNC. Le node B représente en fait une station

de base (ou Antenne-relais) dans un réseau UMTS, basé sur la technologie W-CDMA, il est l’équivalent de la BTS dans le réseau GSM. Quant au RNC, il représente l'élément du rése au UMTS qui contrôle les transmissions radio des stations de base. Il gère la répartition de la ressource radio, le chiffrement des données avant l'envoi au téléphone mobile, ainsi qu'une partie de la localisation des abonnés. Un RNC s'interface avec le SGSN pour la transmission des données, et avec le MSC pour le transfert de la voix.

3.1.3.

Entités du réseau EPS :

Le réseau EPS est constitué des entités suivantes : o o o o o o

eNodeB Mobility Management Entity (MME) Serving Gateway Packet Data Network Gateway (PDN GW) Home Subscriber Server (HSS) Policy and Charging Rules Functions (PCRF)

Figure 1 : Architecture EPS

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a. L’entité eNodeB : L’eNodeB se charge de la transmission et de la réception radio avec l’UE. L’eNodeB dispose d’une interface S1 avec le réseau cœur. Pour cette interface S1 on

distingue :  

S1-C (S1-Contrôle) entre l’eNodeB et le MME et S1-U (S1- Usager) entre l’eNodeB et le Serving GW.

Une nouvelle interface X2 a été définie entre eNodeBs adjacents. Son rôle est de minimiser la perte de paquets lors de la mobilité de l’usager en mode ACTIF (handover). (Figure 1)

Figure 2 : Architecture E-UTRAN

b. L’entité MME : (Mobility Management entity) L’entité MME a un rôle important dans l’architecture EPS. Elle assure, en effet, l’ensemble

des fonctions suivantes :   

Signalisation EMM et ESM avec l’UE ( Pour gérer la mobilité et les sessions). Authentification (à partir des informations recueillies du HSS). Joignabilité de l’UE dans l’é tat ECM-IDLE (incluant paging) (L’entité MME est responsable du paging lorsque l’UE est dans l’état IDLE et que des paquets à destination de l’UE sont reçus et mis en mémoire par le Serving GW.



  

Gestion de la liste de Tracking Area ( L’UE est informé des zones de localisation prises en charge par le MME, appelées Tracking Area). Sélection du Serving GW e du PDN GW. Sélection d’un autre MME pour un éventuel changement lors du handover . Sélection du SGSN lors du handover avec les réseau x d’accès 2G et 3G

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Figure 3: Wireless Broadband Core LTE Mobility Management Entity (Motorola WBC 700 MME)

c. L’entité Serving GW : (Serving Gateway)

Cette entité représente: -

Un point d’ancrage pour le handover inter -eNodeB : Lors d’un handover inter-eNode, le trafic de l’usager qui s’échangeait entre l’ancien eNodeB et le Serving GW doit

désormais être relayé du nouvel eNodeB au Serving GW. -

Un point d’ancrage pour le handover LTE et les réseaux 2G/3G : Le Serving GW relaie

les paquets entre les systèmes 2G/3G et le PDN- GW. Lors d’une mobilité entre LTE et Les réseaux 2G/3G paquet, le SGSN du réseau 2G/3G s’interface avec le Serving GW

pour la continuité du service de données.

Figure 4 : Interaction entre les réseaux GPRS, UMTS, LTE et CDMA

d. L’entité PDN GW : (Packet Data Network Gateway) En effet, l’entité PDN GW assure les fonctions suivantes : 







Interface vers les réseaux externes (Internet et Intranet) : Allocation de l’adresse IP de l’UE Marquage des paquets dans le sens montant et descendant : Taxation des flux de service montants et descendants 21 | P a g e

Rapport


e. L’entité HSS : (Home Subscriber Server) L’entité HLR (Home Location Register ) présente au niveau des technologies 2G et 3G est

toujours présente avec la technologie LTE. Elle est toutefois renommé Subscriber Server (HSS). Le HSS est au fait un HLR évolué contenant les informations de souscription pour les réseaux GSM, GPRS, 3G et LTE. Le HSS est donc une base de données qui est utilisée simultanément par les réseaux 2G, 3G et LTE/SAE appartenant au même opérateur. Il supporte aussi bien les protocoles MAP (2G, 3G) et DIAMETER (LTE/SAE). f. L’entité PCRF: (Policy and Charging Rules Function) Le PCRF fournit au PDN-GW les règles de taxation lorsqu’un default bearer ou un dedicated bearer est active ou modifié pour l’usager. Ces règles d e taxation permettent au PDN -GW de différencier les flux de données de service et de les taxer de façon appropriée. Par exemple, si l’usager fait transiter sur son default bearer des flux WAP et des flux de streaming, le PDN

GW sera en mesure de distinguer ces deux flux et de taxer le flux WAP sur la base du volume alors que le flux de streaming sera taxé sur la base de la durée.

3.1.4.

Architecture globale EPS :

Figure 5 : Architecture globale EPS 1

1

“Evolved Packet System (EPS) : the LTE and SAE evolution of 3G UMTS” -- Pierre Lescuyer et Thierry

Lucidarme -- Page 37

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Si l’on observe la liaison entre E -UTRAN et EPC au niveau de la figure 5, on constate la présence d’une interface S1 -C entre l’eNodeB el la MME et d’une autre interface S1 -U entre l’eNodeB et le Serving GW. Il est parfois possible de n’utiliser qu’une seule interface S1 entre l’eNodeB et l’EPC si la MME et le Serving GW sont présent au niveau du même équipement.

Pour mieux voir cette remarque, la figure suivante (figure 6) montre la différence entre les deux architectures.

Figure 6 : Différentes options pour la mise en œuvre de la liaison E -UTRAN/EPC2

2

“Evolved Packet System (EPS) : the LTE and SAE evolution of 3G UMTS” -- Pierre Lescuyer et Thierry

Lucidarme -- Page 41

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Rapport


3.2.

WiMAX

Introduction Les solutions de réseaux locaux ont été amplement adoptées tant par les utilisateurs à domicile que par les entreprises. De nombreux dispositifs sont installés par-delà les principaux lieux publics, entrepreneurials et universitaires. En parallèle, des terminaux mobiles intègrent les composants nécessaires à ce type de connexion, ce qui a rendu les Wireless technologies de plus en plus populaires. Devant cette forte demande, les fabricants d’appareils de télécommunications ont songé à développer des produits encore plus

performants. Cela entraîna la création du WiMAX qui se présente comme l’évolution du WiFi mais avec une capacité bien supérieure et pouvant opérer sur des fréquences réglementées ou non. Certains le qualifient de « WiFi’s big brother » 3.

3.2.1.

Présentation du WiMAX :

a) Définition WiMAX est l’acronyme pour Worldwide Interoperability for Microwave Access. Il s’agit d’une famille de normes techniques basées sur le standard de transmission radio 802.16 permettant la transmission de données IP haut débit par voie hertzienne 4. Certaines de ces techniques sont encore en cours de déploiement. Cette technologie peut offrir un débit théorique maximum de 70 Mbits/s sur une portée théorique de plusieurs dizaines de kilomètres. WiMAX est également un label commercial pour ces normes. WiMAX a été formé en avril 2001 comme un groupe industriel pour promouvoir la conformité et l'interopérabilité de l'IEEE 802.16. Ainsi, les équipements conformes à cette norme prennent le logo suivant :

Figure 1: Le label commercial des standards WiMAX

Le WiMAX offre une solution alternative pour le déploiement des réseaux haut-débit sur des zones de couverture filaire ou pas, comme l'ADSL ou le câble.

3

WiMAX ou l’évolution des réseaux sans -fil ? De Simon Mian1, Lex Electronica, vol. 11 n°1 (Printemps / Spring

2006), http://www.lex-electronica.org/articles/v11-1/mian.htm, http://www.lex-electronica.org/articles/v111/mian.pdf 4 http://www.ariase.com/fr/guides/wimax.html

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Le domaine d'action du WiMAX est non seulement le réseau métropolitain, mais également les territoires péri urbains voire ruraux qui n'ont pas d'infrastructure téléphonique filaire exploitable et désignés comme zones blanches.

Figure 2: Exemple de réseau WiMAX

b) Les différentes normes de la famille IEEE 802.16 Selon son domaine d’application, WiMAX réfère à plusieurs normes : 

WiMAX fixe

Le WiMAX fixe désigne une gamme de normes liées au protocole de transmission IEEE 802.16-2004, qui permet d’avoir une connexion haut débit à domicile. Semblable à une installation TV, une installation WiMAX fixe nécessite une antenne fixée au toit du domicile de l’abonné, afin qu’il est accès au haut débit.

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La technologie IEEE 802.16-2004 opère dans des bandes de fréquence allant de 2 GHz à 11 GHz avec un débit théorique de 75 Mbits/s et sur une portée de 10km 5. Le WiMAX fixe est considéré comme une altern ative à l’accès à Internet par ADSL ou au câble et surtout pour les clients situés dans des zones lointaines et non couvertes par ces technologies. La norme l’IEEE 802.16d (ou l’IEEE 802.16 -2004) est utilisée actuellement par tous les

utilisateurs du WIMAX fixe, elle apporte certaines améliorations aux normes IEEE 802.16b, IEEE 802.16a, IEEE 802.16c , devenues obsolètes aujourd’hui. La norme l’IEEE 802.16f est aujourd'hui incluse dans la norme standard du WIMAX Fixe, le 802.16 d. 

WiMAX mobile

A priori, le WIMAX mobile permettra de se déplacer dans l’intégralité d’une zone couverte par l’intermédiaire d’une antenne centrale, le tout sans déconnexion, par la suite le WIMAX permettra de passer d’une zone de couverture à une autre sans déconnexion.

La norme IEEE 802.16g a cédé la place à l’IEEE 802.16e. Cette norme utilise la bande de fréquence allant de 2 à 6 GHz en se déplaçant à moins de 122 Km/h, avec des débits de 30 Mbit/s, en revanche la portée de celle-ci serait réduite à environ 3,5 Km, il faudrait donc passer d’un réseau à l’autre afin de ne pas subir de déconnection.

Par ailleurs, la norme IEEE 802.16m, appelée aussi le Gigabit WiMAX, constitue le pas de la migration vers la 4G, estimée autour de 2010-2012. La 802.16m prévoit pouvoir offrir des débits de l'ordre de 1 Gbps.

3.2.2.

Spécificités techniques

a) Les technologies clés du WiMAX Mobile6 Duplexage

Figure 3: les deux techniques de duplexage, FDD et TDD respectivement

5

http://www.wimaxfr.com/articles/Le-Wimax-debut-2007/Les-Technologies-WIMAX.html

6

Broadband Wireless access and local networks : Mobile WiMAX and WiFi, de Byeong Gi Lee et Sunghyun Choi, Edition Mobile communications series

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Lorsque les deux bandes sont divisées d’une manière égale, FDD est plus adéquat pour les

trafics symétriques comme la voix. L e TDD permet l’allocation asymétrique aux intervalles des liaisons montantes et descendantes, et peuvent être configurées dynamiquement de sorte à s’adapter au trafic demandé, ceci est le cas pour les services Internet. C’est pour cette dynamité de l’allocation des bandes de fréquences que la technique TDD a été

préférée dans le réseau WiMAX mobile. Par contre, l’IEEE 802.16e définit le FDD aussi. Accès multiple : OFDMA Le WiMAX Mobile utilise L’accès multiple par répartition en fréquence orthogonale (AMRFO, en anglais Orthogonal Frequency Division Multiple Access ou OFDMA). Le FDMA n’était pas assez efficace dans l’utilisation du s pectre, puisque les chevauchements

entre les bandes du spectre ne sont pas permis. OFDMA a résolu ce problème en assurant l’orthogonalité entre les sous -porteuses. En fait, OFDMA divise la bande de fréquence donnée en plusieurs sous- porteuses espacées d’une distance égale dans le domaine fréquentiel, et module les données de l’utilisateur dans ces sous-porteuses. L’orthogonalité dans la technique OFDMA implique qu’une sous -porteuse ne peut pas être affectée par une autre sous-porteuse, car lorsqu’une sous-porteuse prend la valeur pic, les autres sont à la valeur 0.

Figure 4: OFDMA, les sous-porteuses de même couleur représentent le même sous-canal

D’autre part, OFDMA représente un désavantage, celui qu’il nécessite beaucoup de calcul et

une synchronisation vive. Codage Le WiMAX Mobile adopte plusieurs techniques de codage pour restreindre les effets des bruits de transmission, à savoir : Le code des blocs linéaires utilise plusieurs bits de parité dans un bloc de bits de données. Les bits de parité sont déterminés par des combinaisons linéaires des bits de données dans un domaine fini. Le code convolutionnel fait passer les bits de données par un registre à décalage linéaire et à état fini pour générer la séquence de bits codés. Les codes concaténés sont des codes correcteurs d'erreurs qui sont obtenues en combinant un code interne et un code externe. 





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Rapport

Modulation

MC 1

Input

Canal Sans

Sélection MCS

MC 2

Démodulation et Décodage

Output

Fil Estimation du

MC N

canal

Information sur l’état du canal

Figure 5: Illustration de l'opération AMC

Le WiMAX Mobile utilise une forme combinée de techniques de modulation et de codage canal qu’on appelle modulation et codage adaptatifs (adaptative modulations and coding ou AMC). L’AMC change dynamiquement les techniques de modulation et de codage en

fonction du statut du canal. Lorsque les conditions sont bonnes dans le canal, AMC choisit une efficacité haute de modulation (64-QAM et 16-QAM) et de technique de codage. Dans les cas contraire, AMC sélectionne une efficacité faible de modulation (comme BPSK ou QPSK) et de technique de codage. Les antennes multiples Les technologies des antennes multiples peuvent être classées en deux catégories : Systèmes des antennes adaptatives (SAA, en anglais antenna adaptative system ou ASS) et Multientrée Multi sortie (en anglais multi-input multi-output ou MIMO). AAS fournit l’accès par division de l’espace en utilisant des antennes multiples en

tableau. AAS pourrait procurer une bonne qualité de transmission, mais la mobilité serait restreinte à cause de la nature hautement directionnelle des faisceaux de l’antenne, puisque il est difficile de diriger les faisceaux assez rapides à cause de la grande mobilité du terminal de l’utilisateur.

Les systèmes MIMO sont constitués de plusieurs antennes implémentées à la fois à l’émetteur et au récepteur. Les antennes multiples peuvent être arrangées pour augmenter la fiabilité en utilisant l’effet de la diversité de l’espace ou augmenter la capacité en utilisant l’effet de multiplexage spatial.

La gestion de la mobilité Handover : On réalise la mobilité en général par la fonction du Handover antre les BSs voisines. Il y a deux types de Handover : Handover difficile et Handover souple. Le Handover difficile déconnecte la liaison existante avant d’établir une nouvelle liaison avec l’autre BS. Le WiMAX Mobile supporte uniquement le Handover difficile, par contre l’IEEE 802.16e

supporte les deux types.

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Economie d’énergie : pour avoir une meilleure écon omie d’énergie, le WiMAX Mobile

supporte les modes veille et veille prolongée permettant à la MS de retourner au mode normal lorsque cela devient nécessaire. Le mode veille prolongée permet d’économiser l’énergie en permettant à la MS d’être absente lorsqu’elle n’est pas utilisée. Par ailleurs, le mode veille met la MS en veille et lui permet d’écouter périodiquement les messages émis.

La gestion de la sécurité La fonction de sécurité comporte deux protocoles : - Le protocole d’encapsulation : pour sécuriser les paquets de données dans les réseaux de WiMAX Fixe et Mobile. - Le protocole de gestion de clés (key management protocol ou KMP) : ce protocole est destiné à la sécurisation de la distribution des données échangées de la BS vers la MS. b) Les couches de protocoles La figure ci-dessous montre les couches de protocoles utilisées en WiMAX :

CS SAP Entité de gestion Sous-couches de convergence spécifiques au service (CS)

Sous-couches de convergence spécifiques au service (CS)

M

L e

A

sy

MAC SAP C

Sous-couche de partie commune (CPS)

Entité de gestion

st

Sous-couche de partie

d

è m e e g e st

commune (CPS) io n d

Sous-couche de sécurité u ré se a u

PHY SAP P H Y

Couche physique (PHY) Plan de contrôle de données

Entité de gestion

Plan de gestion

Figure 6: Les couches de protocoles IEEE 802.16

La sous-couche de convergence spécifique au service (CS) Cette sous-couche a la fonction de faire converger les services des utilisateurs vers la souscouche MAC CPS. Elle accepte les PDUs de la couche supérieure par l’intermédiaire de CS

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Rapport


SAP (CS service access point), les classe selon les connexions de transport appropriées, les transfère selon leurs classifications et délivre les PDUs de la CS à la couche inférieure. La sous-couche de partie commune (CPS) La sous-couche MAC CPS est le corps principal de la couche MAC. Elle supporte toutes les CSs en commun. La MAC CPS opère sur les MAC SDUs reçus depuis la CS et construit un MAC PDU en ajoutant à son début une en-tête MAC générique et à sa fin un code CRC. la sous-couche de sécurité Cette sous-couche utilise deux protocoles : le protocole d’encapsulation et l e protocole de gestion des clés. La couche de sécurité fait le cryptage des flux des données en utilisant une clé de cryptage de trafic (traffic encryption key ou TEK). La couche physique Parmi les standards IEE 802.16, on peut distinguer quatre types de couches physiques basées sur différentes technologies d’accès multiple, à savoir : Wireless MAN-SC, Wireless MAN-SCa, Wireless-OFDM, et Wireless-OFDMA. Il y a aussi Wireless HUMAN PHY, spécifiée pour être utilisée dans les bandes exemptes de licence.

3.2.3.

Déploiement du WiMAX

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Figure 7: Les éléments d'un réseau WiMAX

7

Le WiMAX est basé sur la transmission par Boucle Locale Radio (BLR). Allant du cœur du réseau vers l’utilisateur, on trouve les éléments suivants : Une liaison à très haut débit (par fibre optique ou faisceau hertzien), alimentant l’émetteur WiMAX . Une antenne WiMAX, appelée "station de base", placée sur un point haut (pylône, château d’eau,...) afin d’assurer

une couverture maximale. Entre l’antenne et l’utilisateur, plusieurs kilomètres de transmission sans fil par voie hertzienne. Le WiMAX peut assurer une transmission sans ligne 7

http://www.ant.equipement.gouv.fr/article.php3?id_article=9

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de vue, mais les obstacles rencontrés par les signaux transmis peuvent réduire notablement la portée. Che z le client, une antenne WiMAX assure la liaison entre l’émetteur de la zone et l’équipement connecté (ordinateur ou autre).

3.2.4.

Contraintes du WiMAX

a) Contraintes techniques

Les usages du WiMAX se heurtent à des contraintes techniques inhérentes : -

L’émetteur doit être placé le plus hautement possible (pylône, clocher, château

d’eau...) afin d’assurer une meilleure couverture.

- Les stations de base WiMAX doivent être desservis par un réseau de collecte (fibre optique, faisceau hertzien...) - Disposer d’une bonne l igne de vue. - Le WiMAX en tant que technologie basée sur la transmission radio, en hérite les inconvénients. b) Contraintes réglementaires

La contrainte réglementaire majeure au déploiement d’un réseau WiMAX est la nécessité de disposer d’une licence. La band e de fréquence ouverte à cet effet s’étend de 3,4 GHz à 3,6

GHz. Il est possible de déployer, sans licence, un réseau s’appuyant sur une technologie

proche du WiMAX, mais utilisant une bande de fréquence libre telle que la bande des 5,4 GHz.

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Rapport

Evolution des technologies des télécoms vers la 4G

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