Ecole Supérieure d’Economie Numérique

RÉSEAUX MOBILES

Dr. Ing. Ikbel DALY BRIKI

03/11/2019

PLAN

 Chapitre 1 Introduction  Chapitre 2 Les réseaux cellulaires  Chapitre 3 Les réseaux satellitaires  Chapitre 4 Les réseaux sans fil  Chapitre 5 Architecture des réseaux WiFi  Chapitre 6 QoS dans les réseaux sans fil  Chapitre 7 Sécurité des réseaux sans fil  Axes de Recherche

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PLAN

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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 = accès à tout

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BESOINS DES UTILISATEURS (3)

 Types de flux diversifiés : voix, images, sons,

textes, data

 Types d’applications

 Du très général (eg. messagerie) au spécifique

(travail personnel et spécialisé)

 Du grand public au spécialiste (commercial, médecin

urgentiste…)  Qualité de service

 Débit, temps de réponse  Disponibilité (« anywhere, anytime connected »)  Sécurité

 Terminaux : intégration (tout en un)

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PERFORMANCES DES APPAREILS SANS FIL

 Equipements  Smartphone  Tablette  PDA  Portable  ...

 Puissance limitée

 Par la batterie, la mémoire, le disque dur  Par la transmission sans fil  Par le réseau de rattachement  Interfaces utilisateurs simplifiées

 Taille des écrans  Terminaux clients

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MOTIVATIONS

 Les réseaux radios

 Diversité 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 extrême liberté d’usage pour les utilisateurs «nomades» en assurant une continuité des services à la fois performante et économique via des terminaux adaptés, fiables et relativement peu coûteux (PC portable, PDA, téléphone mobile, …).

 Exemples de services offerts en mobilité

 L’accès internet haut débit via les hot spots publics  Services vidéo, mail, chat, forums et travail collaboratif  Service à domicile via les boîtiers multiplay (free box, live

box…)

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DOMAINES D’APPLICATION (1)

Les principaux domaines d’application des réseaux

mobiles :

 Le travail collaboratif et les communications

dans des entreprises ou bâtiments : dans le cadre d’une réunion ou d’une conférence ou d’une couverture d’évènements sportifs,

 Réseaux de senseurs (capteurs) : pour des

applications environnementales (climat, activité de la terre, suivi des mouvements des animaux, etc.) ou domestiques (contrôle des équipements à distance),

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DOMAINES D’APPLICATION (2)

Les principaux domaines d’application des réseaux

mobiles :

 Réseaux domestiques (Home network) : partage

d’applications et communications des équipements mobiles exemple l'organisation d'une soirée de jeux vidéo en réseaux où chacun apporte son matériel,

 Applications commerciales : pour un paiement électronique distant (en taxi) ou pour l’accès mobile à l’Internet ou service de guide en fonction de la position de l’utilisateur,

 Réseaux en mouvement : informatique

embarquée et véhicules communicants pour avoir des informations sur le trafic disponible en temps réel (Vehicular Ad hoc Network, VANET).

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VAGUES DES RÉSEAUX MOBILES

Grand public – Vagues des réseaux sans fil  Vague 1 : téléphonie mobile

 Encore en cours  Business le plus important

 Vague 2 : Accès sans fil à Internet

 Accès Internet via les WLAN (Wifi) personnels,

d’entreprises ou d’organisations

 2.5 G et 3G en compétition pour l’accès à Internet via le

mobile

 Vague 3 : Réseaux ad hoc (actuellement)

 Interconnexion de mobiles non reliés à des

infrastructures

 Interopérabilité entre réseaux hétérogènes  Vague 4 : équipements de plus en plus

invisibles !

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CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (1)

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CLASSIFICATION DES RÉSEAUX MOBILES (2)

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PLAN

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CHAPITRE 2 LES RÉSEAUX CELLULAIRES

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HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)

Développement des réseaux sans fil  1910 : Ericson travaille sur le premier téléphone

pour voiture.

 1912 : attribution des fréquences radios et des

licences aux opérateurs téléphoniques

 1940 : pendant la seconde guerre mondiale,

l’armée américaine utilise pour la première fois dans signaux radio pour transmettre de données.

 1971 : un groupe de chercheurs crée le premier réseau de communication radio basé sur la commutation de paquets, appelé ALOHAnet. C’est le tout premier réseau sans fil, constitué de 7 ordinateurs reliés en étoile.

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HISTOIRE DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)

 Années 80 (1G) : voix analogique

 technologie analogique qui utilise une bande de fréquences

non enregistrée (902-928 MHz) ce qui cause des interférences avec toutes sortes de machines.

 AMPS en 1982, Radiocom en 1982

 Années 90 (2G) : voix numérique et messagerie

texte  transmission numérique pour augmenter la capacité,

améliorer la sécurité et offrir la messagerie texte (SMS).

 GSM en 1991  GPRS en 2000 (2,5G ou 2G+) : dérivée du GSM permettant

un débit de données plus élevé.

 Années 2000 (3G) : voix et données numériques  services numériques de voix et de données à haut débit.  UMTS, W-CDMA en déploiement mondial

 Années 2010 (4G) :  Services haut-débits  LTE (Long Term Evolution)

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RÉSEAUX CELLULAIRES

 C’est la rareté du spectre radio qui a conduit les

opérateurs à découper le territoire en zones (cellules), de taille variable selon la densité des utilisateurs.

Les différentes tailles de cellules d’un réseau cellulaire

OBJECTIFS DES RÉSEAUX CELLULAIRES

 Offrir une large couverture et tenir compte de la

mobilité  1G : voix, sans localisation et sans mobilité  2G : voix, localisation / mobilité  3G : id. + paquets  4G : id + inter-technologie

 Offrir un service à de nombreux usagers  Intégrer de plus en plus de services

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PROBLÉMATIQUE DE LA MOBILITÉ

 Localisation des utilisateurs

 Pour établir une communication, il faut savoir dans

quelle cellule l'abonné se trouve.

 Transfert inter-cellulaire (Handover)  Il doit y avoir continuité de la communication lorsque

l'abonné passe d'une cellule à une autre

 Roaming

 Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent.

 Sécurité

 Pour éviter les écoutes frauduleuses des

communication (authentification, cryptage, identité temporaire).

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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (1)

 1ère génération (1G) : voix

 Transmission analogique, contrôle numérique  Concept de cellule  NMT, R2000, AMPS, téléphone sans fil : CT0, CT1

 2ème génération (2G) : Voix/données  Transmission et contrôle numériques  IS-95, GSM (Global System for Mobile

communication), CT2, DECT

 2G+ : Mobitext, GPRS

 3ème génération (3G) : UMTS/IMT-2000,

WCDMA,  CDMA2000, EDGE  Un seul système pour la voix et les données

 4ème génération (4G) : Wimax, LTE

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GÉNÉRATION DES RÉSEAUX CELLULAIRES (2)

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PRINCIPE DE BASE

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24 BTS : Base Transceiver Station BSC : Base Station Controller MSC : Mobile Switching Center

PRINCIPE DE BASE

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PRINCIPE DE BASE

Cellule  Cellule = la surface avec laquelle une BTS peut

établir une liaison avec un téléphone mobile.  Principe = diviser une région en un certain

nombre de cellules desservies par une BTS de faible puissance, émettant à des fréquences différentes de celles utilisées sur les cellules voisines.

 Allocation des fréquences = le nombre de

fréquences accordées étant restreint, l'opérateur est obligé de réutiliser les mêmes fréquences sur des cellules suffisamment éloignées de telle sorte que deux communications utilisant la même fréquence ne se brouillent pas.

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PRINCIPE DE BASE

Les cellules

 Chaque cellule a sa fréquence de communication  Possède 6 voisins  pour éviter de gaspiller les fréquences et d’interférer

entre les cellules : technique SDMA

Space Division Multiple Access

 Schéma d’attribution des fréquences  But : les cellules adjacentes ne doivent pas avoir la même fréquence 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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DÉGRADATIONS DE L’ONDE

 Atténuation due à la distance parcourue

(pathloss),

 Effets de masques (shadowing effects),  Evanouissements (fadings) par propagation

multitrajet.

 Brouillages causés par d'autres émissions :

 Interférences (co-canal ou canal adjacent),  Bruit ambiant.

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CARACTÉRISTIQUES DE LA PROPAGATION

Les caractéristiques de propagation dépendent :  Morphologie du terrain,  Densité de végétation,  Hauteur, combinaison, nature et densité des

bâtiments,

 Conditions météo,  Etc.

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MULTITRAJETS

 Origine : Réflexions multiples sur les obstacles

rencontrés par l'onde.

 Deux effets :  Positif  Négatif

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EFFETS POSITIFS DU MULTITRAJET

 Communications réussies même en présence de

masque : contournement des obstacles.

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EFFETS NÉGATIFS DU MULTITRAJET

 Mutlipath spread= (longer path-shorter path)/c ;

où c désigne la vitesse de la lumière.

 Dépendance: Direction, réflectivité et distance

entre les objets.

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INTERFÉRENCES

 Co-canal  Canal adjacent.

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INTERFÉRENCE CO-CANAL

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INTERFACE RADIO-MOBILE

 Caractéristiques :

 Complexité,  Diffusion.

 Environnement de transmission :

 Changeant,  Emetteurs/Récepteurs mobiles,  Multitrajets,  Limitation du spectre.

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SPECTRE

UHF (Ultra High Frequency) : De 300 MHz à 3 GHz = Radiofréquences

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ALLOCATION DU SPECTRE DE FRÉQUENCE

 Les ressources spectrales sont limitées.  Chaque pays a une agence gouvernementale pour

contrôler et allouer les ressources spectrales.  Les ressources spectrales sont contrôlées par :

 Mondiale : International Telecommunications Union

(ITU).

 USA : Federal Communications commission (FCC).  EU : European Telecommunications standards

Institute (ETSI).

 Tunisia : Agence Nationale de la fréquence (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 FRÉQUENCES SANS LICENCE

 Des bandes de fréquences utilisés Gratuitement  Pour encourager l’innovation et les implémentations de faible coûts.

 Des systèmes sans fils ont vu succès grâce à cette bande. ex : Bleutooth, Wireless LAN, téléphones sans fils

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CONCEPT CELLULAIRE

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CONCEPT CELLULAIRE

 Problème de base = Comment desservir une région de taille importante (pays, continent)  Avec une bande de fréquences limitée,  Avec une densité de trafic importante, qui varie dans

le temps et dans l’espace et pouvant augmenter,  Offrir des services téléphoniques et autres à des

usagers fixes et mobiles ?

 Concept cellulaire avec réutilisation des

fréquences.

 Mécanisme de réutilisation des fréquences :  Repose sur la propriété d’atténuation des signaux

avec la distance.

 Cellules utilisant la même fréquence.

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RÉUTILISATION DE LA FRÉQUENCE

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RÉUTILISATION DES FRÉQUENCES

 Principe: Repose sur l’utilisation des mêmes fréquences porteuses pour couvrir des zones différentes séparées par des distances suffisantes pour que l’interférence co-canal ne soit pas importante.

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CONCEPT CELLULAIRE

 Supposer que le système admet S=70 canaux

fréquentiels

 Système Pre-cellulaire (avant le système cellulaire) :

 Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés = 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 même groupe sont éloignées.

 Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés = 10 x 7 x 3 = 210  Avec la même capacité, la puissance de transmission a passé de centaines de Watts à quelques Watts, et même < 1 W par canal.

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CONCEPT CELLULAIRE

 Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de

faible taille.

 Capacité du système = nb d’utilisateurs simultanés >> 210

Pourquoi donc Concept cellulaire ?

 Réduire la puissance de transmission  Augmenter la capacité du système

 étaler la couverture par autant de cellules que

nécessaire

 augmenter le nombre maximum des utilisateurs

accédant au réseau.  Réduire les interférences.

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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 problème est que les cellules circulaires ne peuvent pas être superposées sur une carte sans laisser des zones incouvertes ou sans créer des zones de chevauchement.

 3 choix : Triangle équilatéral ou carré ou Hexagone.

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La Forme de la cellule

 Une cellule doit être conçue pour servir les mobiles les plus faibles au sein de l’empreinte (forme), et ceux-ci sont généralement situé à la frontière de la cellule.  l’hexagone possède la plus grande superficie parmi les

trois fromes.

 En utilisant la géométrie hexagonale, le plus petit

nombre de cellules peut couvrir une région géographique

 L’hexagone décrit mieux un cercle

Cluster

 La superficie totale de la couverture est

divisée en clusters

 Le nombre de cellules N dans chaque Cluster

est appelé taille du cluster

 les cellules dans un Cluster utilisent tous les canaux fréquentiels il n’ya pas d’interférence co-canal dans un même cluster, qui provient de deux cellules utilisant la même bande fréquentielle

 Le cluster est reproduit sur toute la zone de

couverture.

 ex : 3 Clusters de taille N=7.  Distance de réutilisation D = Distance

minimale entre les centres de deux cellules utilisant la même canal fréquentiel.

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Réutilisation de fréquence (N=4, N=7)

 Facteur de réutilisation de fréquence=1/N  Chaque cellule utilise 1/N des canaux existants.

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Capacité

 compromis : Des valeurs réduites de N peut engendrer des interférences

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Taille du Cluster

 N peut avoir certaines valeurs précises selon i et j des entiers : N = i2 + j2 + i x j

 Pour localiser le co-canal le

plus proche :  Se déplacer i cellules le long

d’une chaîne d’hexagones, puis  Tourner 60 degrés contre le sens

de la montre et se déplacer 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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Géométrie de l’hexagone

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Exercice 1

Considérons un système cellulaire dont le nb total des

canaux vocaux disponibles pour gérer le trafic est 960. L’aire de chaque cellule est de 6 km2 et la zone de couverture totale du système est de 2000 km2.

Calculer 1 ) Combien de fois un cluster de taille 4 doit être

reproduit pour couvrir toute la zone ?

2 ) nb de canaux par cellule ? 3 ) la capacité du système si la taille de cluster, N est 4 4 ) la capacité du système si la taille de cluster est 7 5 ) Est-ce que la diminution de la taille de cluster N

augmente la capacité du système ? Expliquez.

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Solution

 Pour N = 4

 Zone d’un cluster avec réutilisation N = 4 : 4 x 6 = 24km2  Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=4 :

2000/24 = 83.33 ≈ 83

 Nombre de canaux par cellule 960/4 = 240  La capacité du système : 83 x 960 = 79680 utilisateurs simultanés

 Pour N=7

 Zone d’un cluster avec réutilisation N = 7 : 7 x 6 = 42km2  Nombre de clusters pour couvrir la superficie totale avec N=7 :

2000/42 = 47.62 ≈ 48

 Nombre de canaux par cellule 960/7 = 137.15 ≈ 137  La capacité du système : 48 x 960 = 46080 utilisateurs simultanés  Il est évident que lorsqu’on diminue la valeur de N de 7 à 4, on augmente la capacité du système de 46080 à 79680 canaux. Ainsi, la diminution de la taille du cluster N augmente la capacité du système.

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Réseaux Mobiles

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