Ecole Sup rieure dEconomie Num rique
R SEAUX MOBILES
Dr. Ing. Ikbel DALY BRIKI
03/11/2019
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PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les r seaux cellulaires
Chapitre 3 Les r seaux satellitaires
Chapitre 4 Les r seaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des r seaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les r seaux sans fil
Chapitre 7 S curit des r seaux sans fil
Axes de Recherche
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PLAN
Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les r seaux cellulaires
Chapitre 3 Les r seaux satellitaires
Chapitre 4 Les r seaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des r seaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les r seaux sans fil
Chapitre 7 S curit des r seaux sans fil
Axes de Recherche
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CHAPITRE 1 INTRODUCTION
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BESOINS DES UTILISATEURS (1)
Mobile = tout en un
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BESOINS DES UTILISATEURS (2)
Mobile = acc s tout
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BESOINS DES UTILISATEURS (3)
Types de flux diversifi s : voix, images, sons,
textes, data
Types dapplications
Du tr s g n ral (eg. messagerie) au sp cifique
(travail personnel et sp cialis )
Du grand public au sp cialiste (commercial, m decin
urgentiste&)
Qualit de service
D bit, temps de r ponse
Disponibilit ( anywhere, anytime connected )
S curit
Terminaux : int gration (tout en un)
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PERFORMANCES DES APPAREILS SANS FIL
Equipements
Smartphone
Tablette
PDA
Portable
...
Puissance limit e
Par la batterie, la m moire, le disque dur
Par la transmission sans fil
Par le r seau de rattachement
Interfaces utilisateurs simplifi es
Taille des crans
Terminaux clients
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MOTIVATIONS
Les r seaux radios
Diversit des services offerts
Aussi bien pour des applications grand public que
pour une utilisation en entreprise.
Le domaine des communications
Les technologies sans fil (GSM, GPRS, UMTS, WiFi,
WiMax,&) offrent une extr me libert dusage pour les
utilisateurs nomades en assurant une continuit des
services la fois performante et conomique via des
terminaux adapt s, fiables et relativement peu co teux
(PC portable, PDA, t l phone mobile, &).
Exemples de services offerts en mobilit
Lacc s internet haut d bit via les hot spots publics
Services vid o, mail, chat, forums et travail collaboratif
Service domicile via les bo tiers multiplay (free box, live
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box&)
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DOMAINES DAPPLICATION (1)
Les principaux domaines dapplication des r seaux
mobiles :
Le travail collaboratif et les communications
dans des entreprises ou b timents : dans le cadre
dune r union ou dune conf rence ou dune
couverture d v nements sportifs,
R seaux de senseurs (capteurs) : pour des
applications environnementales (climat, activit
de la terre, suivi des mouvements des animaux,
etc.) ou domestiques (contr le des quipements
distance),
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DOMAINES DAPPLICATION (2)
Les principaux domaines dapplication des r seaux
mobiles :
R seaux domestiques (Home network) : partage
dapplications et communications des
quipements mobiles exemple l'organisation
d'une soir e de jeux vid o en r seaux o chacun
apporte son mat riel,
Applications commerciales : pour un paiement
lectronique distant (en taxi) ou pour lacc s
mobile lInternet ou service de guide en fonction
de la position de lutilisateur,
R seaux en mouvement : informatique
embarqu e et v hicules communicants pour avoir
des informations sur le trafic disponible en temps
r el (Vehicular Ad hoc Network, VANET).
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VAGUES DES R SEAUX MOBILES
Grand public Vagues des r seaux sans fil
Vague 1 : t l phonie mobile
Encore en cours
Business le plus important
Vague 2 : Acc s sans fil Internet
Acc s Internet via les WLAN (Wifi) personnels,
dentreprises ou dorganisations
2.5 G et 3G en comp tition pour lacc s Internet via le
mobile
Vague 3 : R seaux ad hoc (actuellement)
Interconnexion de mobiles non reli s des
infrastructures
Interop rabilit entre r seaux h t rog nes
Vague 4 : quipements de plus en plus
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invisibles !
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CLASSIFICATION DES R SEAUX MOBILES (1)
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CLASSIFICATION DES R SEAUX MOBILES (2)
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Chapitre 1 Introduction
Chapitre 2 Les r seaux cellulaires
Chapitre 3 Les r seaux satellitaires
Chapitre 4 Les r seaux sans fil
Chapitre 5 Architecture des r seaux WiFi
Chapitre 6 QoS dans les r seaux sans fil
Chapitre 7 S curit des r seaux sans fil
Axes de Recherche
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CHAPITRE 2 LES R SEAUX CELLULAIRES
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HISTOIRE DES R SEAUX CELLULAIRES (1)
D veloppement des r seaux sans fil
1910 : Ericson travaille sur le premier t l phone
pour voiture.
1912 : attribution des fr quences radios et des
licences aux op rateurs t l phoniques
1940 : pendant la seconde guerre mondiale,
larm e am ricaine utilise pour la premi re fois
dans signaux radio pour transmettre de donn es.
1971 : un groupe de chercheurs cr e le premier
r seau de communication radio bas sur la
commutation de paquets, appel ALOHAnet.
Cest le tout premier r seau sans fil, constitu de
7 ordinateurs reli s en toile.
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HISTOIRE DES R SEAUX CELLULAIRES (2)
Ann es 80 (1G) : voix analogique
technologie analogique qui utilise une bande de fr quences
non enregistr e (902-928 MHz) ce qui cause des
interf rences avec toutes sortes de machines.
AMPS en 1982, Radiocom en 1982
Ann es 90 (2G) : voix num rique et messagerie
texte
transmission num rique pour augmenter la capacit ,
am liorer la s curit et offrir la messagerie texte (SMS).
GSM en 1991
GPRS en 2000 (2,5G ou 2G+) : d riv e du GSM permettant
un d bit de donn es plus lev .
Ann es 2000 (3G) : voix et donn es num riques
services num riques de voix et de donn es haut d bit.
UMTS, W-CDMA en d ploiement mondial
Ann es 2010 (4G) :
Services haut-d bits
LTE (Long Term Evolution)
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R SEAUX CELLULAIRES
Cest la raret du spectre radio qui a conduit les
op rateurs d couper le territoire en zones
(cellules), de taille variable selon la densit des
utilisateurs.
Les diff rentes tailles de
cellules dun r seau cellulaire
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OBJECTIFS DES R SEAUX CELLULAIRES
Offrir une large couverture et tenir compte de la
mobilit
1G : voix, sans localisation et sans mobilit
2G : voix, localisation / mobilit
3G : id. + paquets
4G : id + inter-technologie
Offrir un service de nombreux usagers
Int grer de plus en plus de services
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PROBL MATIQUE DE LA MOBILIT
Localisation des utilisateurs
Pour tablir une communication, il faut savoir dans
quelle cellule l'abonn se trouve.
Transfert inter-cellulaire (Handover)
Il doit y avoir continuit de la communication lorsque
l'abonn passe d'une cellule une autre
Roaming
Si la mobilit d'un abonn s' tend plusieurs pays,
des accords de roaming doivent alors tre pass s
entre les diff rents op rateurs pour que les
communications d'un abonn tranger soient trait es
et aboutissent.
S curit
Pour viter les coutes frauduleuses des
communication (authentification, cryptage, identit
temporaire).
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G N RATION DES R SEAUX CELLULAIRES (1)
1 re g n ration (1G) : voix
Transmission analogique, contr le num rique
Concept de cellule
NMT, R2000, AMPS, t l phone sans fil : CT0, CT1
2 me g n ration (2G) : Voix/donn es
Transmission et contr le num riques
IS-95, GSM (Global System for Mobile
communication), CT2, DECT
2G+ : Mobitext, GPRS
3 me g n ration (3G) : UMTS/IMT-2000,
WCDMA,
CDMA2000, EDGE
Un seul syst me pour la voix et les donn es
4 me g n ration (4G) : Wimax, LTE
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G N RATION DES R SEAUX CELLULAIRES (2)
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PRINCIPE DE BASE
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BTS : Base Transceiver Station
BSC : Base Station Controller
MSC : Mobile Switching Center
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PRINCIPE DE BASE
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PRINCIPE DE BASE
Cellule
Cellule = la surface avec laquelle une BTS peut
tablir une liaison avec un t l phone mobile.
Principe = diviser une r gion en un certain
nombre de cellules desservies par une BTS de
faible puissance, mettant des fr quences
diff rentes de celles utilis es sur les cellules
voisines.
Allocation des fr quences = le nombre de
fr quences accord es tant restreint, l'op rateur
est oblig de r utiliser les m mes fr quences sur
des cellules suffisamment loign es de telle sorte
que deux communications utilisant la m me
fr quence ne se brouillent pas.
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PRINCIPE DE BASE
Les cellules
Chaque cellule a sa fr quence de communication
Poss de 6 voisins
pour viter de gaspiller les fr quences et dinterf rer
entre les cellules : technique SDMA
Space Division Multiple Access
Sch ma dattribution des fr quences
But : les cellules adjacentes ne doivent
pas avoir la m me fr quence
de communication
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PRINCIPE DE BASE
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PRINCIPE DE BASE
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ENVIRONNEMENT RADIO-MOBILE
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D GRADATIONS DE LONDE
Att nuation due la distance parcourue
(pathloss),
Effets de masques (shadowing effects),
Evanouissements (fadings) par propagation
multitrajet.
Brouillages caus s par d'autres missions :
Interf rences (co-canal ou canal adjacent),
Bruit ambiant.
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CARACT RISTIQUES DE LA PROPAGATION
Les caract ristiques de propagation d pendent :
Morphologie du terrain,
Densit de v g tation,
Hauteur, combinaison, nature et densit des
b timents,
Conditions m t o,
Etc.
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MULTITRAJETS
Origine : R flexions multiples sur les obstacles
rencontr s par l'onde.
Deux effets :
Positif
N gatif
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EFFETS POSITIFS DU MULTITRAJET
Communications r ussies m me en pr sence de
masque : contournement des obstacles.
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EFFETS N GATIFS DU MULTITRAJET
Mutlipath spread= (longer path-shorter path)/c ;
o c d signe la vitesse de la lumi re.
D pendance: Direction, r flectivit et distance
entre les objets.
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INTERF RENCES
Co-canal
Canal adjacent.
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INTERF RENCE CO-CANAL
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INTERFACE RADIO-MOBILE
Caract ristiques :
Complexit ,
Diffusion.
Environnement de transmission :
Changeant,
Emetteurs/R cepteurs mobiles,
Multitrajets,
Limitation du spectre.
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SPECTRE
UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz 3 GHz = Radiofr quences
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ALLOCATION DU SPECTRE DE FR QUENCE
Les ressources spectrales sont limit es.
Chaque pays a une agence gouvernementale pour
contr ler et allouer les ressources spectrales.
Les ressources spectrales sont contr l es par :
Mondiale : International Telecommunications Union
(ITU).
USA : Federal Communications commission (FCC).
EU : European Telecommunications standards
Institute (ETSI).
Tunisia : Agence Nationale de la fr quence (ANF).
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ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE
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ALLOCATION DU SPECTRE UHF EN FRANCE
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BANDES DE FR QUENCES SANS LICENCE
Des bandes de fr quences utilis s Gratuitement
Pour encourager linnovation et les
impl mentations de faible co ts.
Des syst mes sans fils ont vu succ s gr ce cette
bande. ex : Bleutooth, Wireless LAN, t l phones
sans fils
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CONCEPT CELLULAIRE
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CONCEPT CELLULAIRE
Probl me de base = Comment desservir une
r gion de taille importante (pays, continent)
Avec une bande de fr quences limit e,
Avec une densit de trafic importante, qui varie dans
le temps et dans lespace et pouvant augmenter,
Offrir des services t l phoniques et autres des
usagers fixes et mobiles ?
Concept cellulaire avec r utilisation des
fr quences.
M canisme de r utilisation des fr quences :
Repose sur la propri t datt nuation des signaux
avec la distance.
Cellules utilisant la m me fr quence.
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R UTILISATION DE LA FR QUENCE
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R UTILISATION DES FR QUENCES
Principe: Repose sur lutilisation des m mes
fr quences porteuses pour couvrir des zones
diff rentes s par es par des distances suffisantes
pour que linterf rence co-canal ne soit pas
importante.
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CONCEPT CELLULAIRE
Supposer que le syst me admet S=70 canaux
fr quentiels
Syst me Pre-cellulaire (avant le syst me cellulaire) :
Capacit du syst me
=
nb dutilisateurs
simultan s
= 70 x 3 = 210
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CONCEPT CELLULAIRE
Diviser les 70 canaux en 7 groupes (A,B,C,D,E,F,G) de
10 canaux.
Les cellules qui utilisent le m me groupe sont loign es.
Capacit du syst me = nb
dutilisateurs simultan s
= 10 x 7 x 3 = 210
Avec la m me capacit , la
puissance de transmission a pass de
centaines de Watts quelques
Watts, et m me < 1 W par canal.
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CONCEPT CELLULAIRE
Pour augmenter la capacit , utiliser des cellules de
faible taille.
Capacit du syst me
= nb dutilisateurs
simultan s >> 210
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Pourquoi donc Concept cellulaire ?
R duire la puissance de transmission
Augmenter la capacit du syst me
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taler la couverture par autant de cellules que
n cessaire
augmenter le nombre maximum des utilisateurs
acc dant au r seau.
R duire les interf rences.
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La Forme de la cellule
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Les antennes omnidirectionnelles rayonnent selon une
forme circulaire (vue de dessus).
Le probl me est que les cellules circulaires ne peuvent
pas tre superpos es sur une carte sans laisser des
zones incouvertes ou sans cr er des zones de
chevauchement.
3 choix : Triangle quilat ral ou carr ou Hexagone.
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La Forme de la cellule
Une cellule doit tre con ue pour servir les mobiles les
plus faibles au sein de lempreinte (forme), et ceux-ci
sont g n ralement situ la fronti re de la cellule.
lhexagone poss de la plus grande superficie parmi les
trois fromes.
En utilisant la g om trie hexagonale, le plus petit
nombre de cellules peut couvrir une r gion
g ographique
Lhexagone d crit mieux un cercle
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Cluster
La superficie totale de la couverture est
divis e en clusters
Le nombre de cellules N dans chaque Cluster
est appel taille du cluster
les cellules dans un Cluster utilisent tous les
canaux fr quentiels il nya pas dinterf rence
co-canal dans un m me cluster, qui provient
de deux cellules utilisant la m me bande
fr quentielle
Le cluster est reproduit sur toute la zone de
couverture.
ex : 3 Clusters de taille N=7.
Distance de r utilisation D = Distance
minimale entre les centres de deux cellules
utilisant la m me canal fr quentiel.
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R utilisation de fr quence (N=4, N=7)
Facteur de r utilisation de fr quence=1/N
Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants.
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Capacit
compromis : Des valeurs r duites de N peut engendrer des
interf rences
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Taille du Cluster
N peut avoir certaines valeurs
pr cises selon i et j des entiers :
N = i2 + j2 + i x j
Pour localiser le co-canal le
plus proche :
Se d placer i cellules le long
dune cha ne dhexagones, puis
Tourner 60 degr s contre le sens
de la montre et se d placer j
cellules.
ex : i=3 ; j=2 N=19
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Localisation du co-canal pour N=3
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Localisation du co-canal pour N=3
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G om trie de lhexagone
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Exercice 1
Consid rons un syst me cellulaire dont le nb total des
canaux vocaux disponibles pour g rer le trafic est 960.
Laire de chaque cellule est de 6 km2 et la zone de
couverture totale du syst me est de 2000 km2.
Calculer
1 ) Combien de fois un cluster de taille 4 doit tre
reproduit pour couvrir toute la zone ?
2 ) nb de canaux par cellule ?
3 ) la capacit du syst me si la taille de cluster, N est 4
4 ) la capacit du syst me si la taille de cluster est 7
5 ) Est-ce que la diminution de la taille de cluster N
augmente la capacit du syst me ? Expliquez.
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Solution
Pour N = 4
Zone dun cluster avec r utilisation N = 4 : 4 x 6 = 24km2
Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=4 :
2000/24 = 83.33 H 83
Nombre de canaux par cellule 960/4 = 240
La capacit du syst me : 83 x 960 = 79680 utilisateurs simultan s
Pour N=7
Zone dun cluster avec r utilisation N = 7 : 7 x 6 = 42km2
Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=7 :
2000/42 = 47.62 H 48
Nombre de canaux par cellule 960/7 = 137.15 H 137
La capacit du syst me : 48 x 960 = 46080 utilisateurs simultan s
Il est vident que lorsquon diminue la valeur de N de 7 4, on
augmente la capacit du syst me de 46080 79680 canaux.
Ainsi, la diminution de la taille du cluster N augmente la
capacit du syst me.
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