Réseaux Mobiles

Ce document présente une introduction complète aux réseaux mobiles, en particulier aux réseaux cellulaires. Il s'adresse aux étudiants et professionnels souhaitant comprendre les principes fondamentaux, l'évolution historique, les concepts clés et les problématiques liées à la conception et à l'exploitation des réseaux mobiles.

Introduction aux réseaux mobiles

Les réseaux mobiles répondent à des besoins variés des utilisateurs, qui souhaitent un accès mobile "tout en un" et "à tout moment, en tout lieu". Ces besoins concernent différents types de flux : voix, images, sons, textes et données. Les applications vont de la messagerie grand public à des usages spécialisés comme ceux des médecins urgentistes ou des commerciaux.

La qualité de service (QoS) est essentielle, incluant le débit, le temps de réponse, la disponibilité et la sécurité. Les terminaux mobiles (smartphones, tablettes, PDA, ordinateurs portables) ont des contraintes de puissance, mémoire et interface utilisateur simplifiée, notamment en raison de la taille réduite des écrans.

Les réseaux radios sans fil offrent une grande diversité de services, adaptés aussi bien au grand public qu'aux entreprises. Les technologies sans fil comme GSM, GPRS, UMTS, WiFi ou WiMax permettent une liberté d'usage importante, avec une continuité de service performante et économique.

Domaines d'application des réseaux mobiles

• Travail collaboratif en entreprise, réunions, conférences, couverture d'événements sportifs.
• Réseaux de capteurs pour applications environnementales (climat, suivi animalier) ou domestiques (contrôle à distance).
• Réseaux domestiques pour le partage d'applications et de communications mobiles, par exemple lors de soirées de jeux vidéo en réseau.
• Applications commerciales, comme le paiement électronique à distance ou les services de guidage basés sur la position.
• Réseaux en mouvement, notamment les véhicules communicants (VANET) pour l'information en temps réel sur le trafic.

Évolution des réseaux mobiles

Les réseaux mobiles ont connu plusieurs vagues successives :

• Vague 1 : Téléphonie mobile traditionnelle (1G à 4G), encore en cours et représentant le principal marché.
• Vague 2 : Accès sans fil à Internet via WLAN (WiFi), 2.5G et 3G.
• Vague 3 : Réseaux ad hoc, interconnexion de mobiles sans infrastructure fixe.
• Vague 4 : Équipements de plus en plus invisibles et intégrés.

Les réseaux cellulaires : historique et principes

L'histoire des réseaux cellulaires débute dès 1910 avec les premiers téléphones pour voiture. En 1971, le premier réseau sans fil basé sur la commutation de paquets, ALOHAnet, est créé. Les générations de réseaux cellulaires se succèdent :

• 1G (années 80) : Voix analogique, technologies comme AMPS.
• 2G (années 90) : Voix numérique et messagerie texte (GSM, GPRS).
• 3G (années 2000) : Voix et données numériques à haut débit (UMTS, W-CDMA).
• 4G (années 2010) : Services haut débit avec LTE.

Le principe fondamental des réseaux cellulaires est la division du territoire en cellules, chacune desservie par une station de base (BTS) émettant à faible puissance sur des fréquences spécifiques. Cette division permet la réutilisation des fréquences sur des cellules suffisamment éloignées pour éviter les interférences.

Exemple de principe de base

Une cellule est la zone couverte par une BTS. Pour éviter les interférences, les cellules adjacentes n'utilisent pas la même fréquence. La technique SDMA (Space Division Multiple Access) permet d'attribuer les fréquences de manière à ce que les cellules voisines n'aient pas la même fréquence.

Problématiques liées à la mobilité

• Localisation des utilisateurs : Il faut savoir dans quelle cellule se trouve un abonné pour établir une communication.
• Transfert inter-cellulaire (Handover) : Assurer la continuité de la communication lors du passage d'une cellule à une autre.
• Roaming : Mobilité entre pays nécessitant des accords entre opérateurs pour gérer les communications des abonnés étrangers.
• Sécurité : Protection contre les écoutes frauduleuses par authentification, cryptage et utilisation d'identités temporaires.

Environnement radio-mobile et dégradations du signal

La propagation des ondes radio est affectée par plusieurs phénomènes :

• Atténuation (pathloss) : Perte de puissance liée à la distance parcourue.
• Effets de masque (shadowing) : Obstacles qui bloquent ou affaiblissent le signal.
• Évanouissements (fading) : Variations rapides dues à la propagation multitrajet.
• Interférences : Co-canal (même fréquence) ou canal adjacent, ainsi que bruit ambiant.

Les caractéristiques de propagation dépendent de la morphologie du terrain, de la végétation, des bâtiments et des conditions météorologiques.

Multitrajets

Les multitrajets résultent des réflexions multiples sur les obstacles. Ils peuvent avoir un effet positif (permettre la communication malgré les obstacles) ou négatif (allonger le délai de propagation, causant des interférences).

La dispersion temporelle due aux multitrajets est donnée par :

Multipath spread = (longer path - shorter path) / c

où c est la vitesse de la lumière.

Allocation du spectre et bandes de fréquences

Le spectre radio est limité et contrôlé par des agences gouvernementales et internationales :

• ITU : Union Internationale des Télécommunications (mondial)
• FCC : Federal Communications Commission (États-Unis)
• ETSI : European Telecommunications Standards Institute (Europe)
• ANF : Agence Nationale de la Fréquence (Tunisie)

Certaines bandes de fréquences sont sans licence, gratuites, pour encourager l'innovation et les systèmes à faible coût (exemple : Bluetooth, WLAN, téléphones sans fil).

Concept cellulaire et réutilisation des fréquences

Le concept cellulaire permet de desservir une grande région avec une bande de fréquences limitée et une densité variable de trafic. Il repose sur la division du territoire en cellules et la réutilisation des mêmes fréquences dans des cellules suffisamment éloignées pour éviter les interférences co-canal.

Le principe de réutilisation des fréquences est le suivant :

• Un ensemble de canaux fréquentiels S est divisé en groupes.
• Chaque cellule utilise un groupe de canaux différent de ses voisines immédiates.
• Les cellules utilisant le même groupe sont distantes d'une distance D minimale, appelée distance de réutilisation.

Exemple numérique

Supposons un système avec S = 70 canaux. Divisons ces canaux en 7 groupes (A, B, C, D, E, F, G) de 10 canaux chacun. Chaque cellule utilise un groupe différent, et les cellules utilisant le même groupe sont éloignées. La capacité du système est alors :

Capacité = nombre de groupes x nombre de canaux par groupe x nombre de cellules par groupe

En réduisant la taille des cellules, on augmente la capacité du système car plus de cellules peuvent être déployées, chacune utilisant un groupe de fréquences réutilisé.

Forme des cellules et clusters

Les antennes omnidirectionnelles rayonnent en cercle, mais les cellules circulaires ne peuvent pas se superposer sans zones non couvertes ou chevauchements. Trois formes sont envisagées : triangle équilatéral, carré, hexagone.

L'hexagone est préféré car il couvre une plus grande superficie et se rapproche le mieux d'un cercle, permettant une couverture efficace sans chevauchement.

Un cluster est un groupe de cellules couvrant une zone où toutes les fréquences sont utilisées une fois. La taille du cluster N correspond au nombre de cellules dans ce groupe. Le cluster est répété sur toute la zone de couverture.

Localisation des cellules co-canal

La taille du cluster N est donnée par :

N = i^2 + j^2 + i x j

où i et j sont des entiers. Pour localiser la cellule co-canal la plus proche :

• Se déplacer i cellules dans une direction.
• Tourner de 60 degrés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
• Se déplacer j cellules dans cette nouvelle direction.

Par exemple, pour i=3 et j=2, N=19.

Exercice d'application

Considérons un système cellulaire avec :

• Nombre total de canaux vocaux = 960
• Aire de chaque cellule = 6 km²
• Zone de couverture totale = 2000 km²

Calculer :

1. Combien de clusters de taille N=4 sont nécessaires pour couvrir la zone.
2. Nombre de canaux par cellule.
3. Capacité du système pour N=4.
4. Capacité du système pour N=7.
5. Impact de la diminution de N sur la capacité du système.

Solution

• Pour N=4 :
  • Zone d'un cluster = 4 x 6 = 24 km²
  • Nombre de clusters nécessaires = 2000 / 24 ≈ 83
  • Canaux par cellule = 960 / 4 = 240
  • Capacité totale = 83 x 960 = 79 680 utilisateurs simultanés
• Pour N=7 :
  • Zone d'un cluster = 7 x 6 = 42 km²
  • Nombre de clusters nécessaires = 2000 / 42 ≈ 48
  • Canaux par cellule = 960 / 7 ≈ 137
  • Capacité totale = 48 x 960 = 46 080 utilisateurs simultanés
• La diminution de N de 7 à 4 augmente la capacité du système, car plus de clusters sont nécessaires, chacun pouvant gérer plus d'utilisateurs.

Glossaire des termes clés

• Cellule : Zone géographique desservie par une station de base (BTS) dans un réseau cellulaire.
• BTS (Base Transceiver Station) : Station de base qui communique avec les terminaux mobiles.
• BSC (Base Station Controller) : Contrôleur qui gère plusieurs BTS.
• MSC (Mobile Switching Center) : Centre de commutation mobile qui gère les appels et la mobilité.
• Cluster : Groupe de cellules utilisant toutes les fréquences disponibles une fois.
• Réutilisation des fréquences : Technique consistant à utiliser les mêmes fréquences dans des cellules suffisamment éloignées pour éviter les interférences.
• Handover : Transfert d'une communication d'une cellule à une autre lors de la mobilité.
• Multitrajet : Propagation d'une onde radio par plusieurs chemins dus aux réflexions.
• Interférences co-canal : Interférences entre cellules utilisant la même fréquence.
• SDMA (Space Division Multiple Access) : Technique d'accès multiple basée sur la séparation spatiale des utilisateurs.
• Pathloss : Atténuation du signal radio liée à la distance.
• Roaming : Mobilité d'un abonné entre différents réseaux ou pays.
• QoS (Qualité de service) : Ensemble des paramètres garantissant la performance d'un service (débit, latence, disponibilité, sécurité).

Points clés à retenir

• Les réseaux mobiles répondent à des besoins variés en termes de flux, applications et qualité de service.
• Le concept cellulaire permet une gestion efficace du spectre limité par la division en cellules et la réutilisation des fréquences.
• La mobilité des utilisateurs nécessite des mécanismes de localisation, transfert inter-cellulaire et sécurité renforcée.
• La propagation radio est affectée par l'atténuation, les effets de masque, les multitrajets et les interférences.
• La forme hexagonale des cellules est privilégiée pour une couverture optimale sans chevauchement.
• La taille du cluster N influence directement la capacité du système : plus N est petit, plus la capacité est élevée, mais le risque d'interférences co-canal augmente.
• La gestion du spectre est encadrée par des organismes internationaux et nationaux.