les réseaux cellulaires (GSM, GPRS, UMTS…)

LE MOBILE: UNE HISTOIRE DE GÉNÉRATION 

○ 1983: La 1G : C’est l’ancien Radiocom 2000 de France Télécom. (Modulation analogiques) 

○ 1988: Réseaux cellulaire numérique GSM :2G European (services offerts: voix et SMS) 

○ 1990: IEEE 802.11 Wireless LAN 

○ 1993: Début IS-95 (CDMA : 2G américain) 

○ 2000: 2.5G GPRS dans quelques pays (Commutation par packets) (Voix et données et augmentation de débit) 

○ 2000: 3G (UMTS) (Supporte données multimédias comme vidéo) 

○ 2010: 4G LTE (Supporte ultra-Wideband internet access): MIMO+OFDM 

○ 5G : Ce sera un réseau mobile ultra haut débit. La norme ne semble pas encore définie mais on peut espérer des débits de plusieurs dizaines de Gbit/s... avec une commercialisation autour de 2020 

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TECHNOLOGIES DES RÉSEAUX SANS FIL 

Chapitre 3: les réseaux cellulaires (GSM, GPRS, UMTS…) 

Nejla OUESLATI 

1. U: 2019-2020 

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GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉSEAUX CELLULAIRES 

○ Partager une zone géographique relativement grande, généralement appelée réseau sans fil large (WWAN) en un certain nombre de sous-zones appelées cellules. 

○ Affecter une bande de fréquences à chacune des cellules. 

○ Réutiliser chaque bande de fréquences de trafic suffisamment éloignées. Cet éloignement minimum se calcule en fonction du diamètre de chaque cellule et diminue les interférences 

○ Le concept cellulaire peut améliorer les capacités du service de téléphonie mobile sans allocation supplémentaire du spectre (fréquence) 

○ Capacité d’un système=nombre de communications simultanées 

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IDÉES DE BASE DU CONCEPT CELLULAIRE 

○ Supposer que le système admet S=70 canaux fréquentiels 

○ On suppose qu’on utilise 3 cellules éloignées: 

○ Pour augmenter la capacité, utiliser des cellules de faible 

4 taille. 

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LA CELLULE 

○ La taille de la cellule est variable suivant le relief, la densité d’abonnés: 

 Réduction de la taille des cellules en cas de saturation du réseau (zone urbaine);  Augmentation de la taille des cellules (zone rurale). 

○ Chaque cellule possède un émetteur-récepteur: BTS (Base Transceiver Station). 

○ L’opérateur affecte une ou plusieurs fréquences à chaque station de base. 

○ Des cellules voisines doivent utiliser des fréquences différentes pour éviter d’interférer entre-elles 

○ Le modèle idéal de réseau cellulaire est un réseau hexagonal, afin que la distance entre une antenne et toutes ces voisines soit la même, 

○ Couverture d’une cellule isolée 

 Dépend de la sensibilité (liée au rapport C/N tolérable; N: bruit)  Dépend de la puissance d’émission 

○ Couverture d’un réseau 

 Dépend du seuil C/I (C: puissance du signal; I: interférence)  Dépend de la distance de réutilisation (plus petite distance entre deux cellules de même fréquence) 5 

RAPPEL SUR LA GÉOMÉTRIE DE L’HEXAGONE 

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R est le rayon de la cellule 

N est la taille du motif: nombre de cellules dans un motif 

Les motifs réguliers les plus courants sont composés de N cellules (N= 3, 4, 7, 9, 12 et 21). 

NOTION DE MOTIFS 

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Exemple: N=4 et R=35 km: D = 3 ∗ 4 ∗ 35 = 121 km. Concrètement, cela signifie qu’on ne pourra pas implanter une antenne utilisant la même fréquence dans une zone inférieure à 121 km. 

LE MOTIF (CLUSTER) 

○ Un motif cellulaire est l’ensemble des cellules dans lesquelles chaque fréquence de la bande est utilisée une seule fois. 

○ La taille d’un motif est le nombre de cellules dans ce motif 

○ On peut montrer que les motifs optimaux sont de taille K tel que : 

○ les cellules dans un Cluster utilisent tous les canaux fréquentiels 

○ Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir. 

○ Distance de réutilisation : La plus proche distance de réutilisation d’une fréquence est alors : 

○ où D est la distance de réutilisation 

○ R , le rayon d’une cellule (cercle circonscrit à l’hexagone) 

○ il n’y a pas d’interférence co-canal dans un même cluster (interférence co-canal provient de deux cellules utilisant la même bande fréquentielle) 

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TAILLE DU CLUSTER 

○ N peut avoir certaines valeurs précises selon i et j des entiers: 

○ 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. 

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PLANIFICATION CELLULAIRE 

○ 1 cellule = groupe de fréquences 

○ 2 cellules différentes = toutes les fréquences sont différentes 

○ Motif de réutilisation cellulaire : ensemble de cellules où toutes les fréquences sont différentes 

○ Si un opérateur dispose de N fréquences au total, avec un motif de taille K, il pourra mettre N/K fréquences dans chaque cellule 

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CAPACITÉ 

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TAUX DE RÉUTILISATION CO–CANAL 

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N= taille de la cellule 

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EXERCICE PLANIFICATION (TD) 

○ Soit un opérateur avec 14 fréquences numérotées de 1 à 14, affecter à chaque cellule une ou plusieurs fréquences avec un motif de taille 7, 

○ Correction : 

i=2; j=1 

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EXEMPLE DU RÉPARTITION EN CELLULES (TD) 

○ Voici un exemple d’allocation de bande de fréquences, dans le sens Mobile-BTS: 

○ La bande de 25 MHz est divisée en 4 sous-bandes (B1 à B4) de 6,25 MHz chacune ; donc N=4 (taille d’un cluster) 

○ La distance de réutilisation est D = 12 ∗ R soit environ 4R ; 

○ Chaque sous-bande est découpée en 31 porteuses espacées de 200 kHz ; (31*200 KHz=6,25 MHz) 

○ La capacité instantanée de chaque cellule est de 31 porteuses espacées de 200 kHz ; 

○ le nombre de communications simultanées par porteuse est de 7 

○ Le nombre de communications simultanées de chaque cellule est de 31 * 7 = 217 communications simultanées ; 

○ si le motif est répété 10 fois, la capacité du système devient 217 * 4 * 10 = 9680 communications simultanées. 

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EXERCICE (TD) 

○ 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. 

○ Combien de fois un cluster de taille 4 doit être reproduit pour couvrir toute la zone ? 

○ nb de canaux par cellule ? 

○ la capacité du système si la taille de cluster, N est 4 

Solution 

○ Pour N = 4 Zone d’un cluster avec réutilisation N = 4: 4 × 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: 2000/6 × 960/4 = 80000 comm.simultanées 15 

PARTAGE DES RESSOURCES RADIO 

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PARTAGE DES RESSOURCES RADIO: DUPLEXAGE 

○ deux sens de transmission : 

 sens descendant (downlink): BTS vers mobile  sens montant (uplink) : mobile vers BTS 

○ Duplexage en fréquence: Frequency Division Duplex (FDD) 

○ offre deux bandes fréquentielles pour chaque utilisateurs. 

○ Communication Duplex = 2 canaux Simplex 

 Sens montant et sens descendant sur des fréquences différentes  L’espace entre les deux bandes de fréquence pour l’UL (sens montant) et la DL (sens descendant) est appelé comme distance duplex. 

○ Utilisée en GSM et UMTS 

○ Intérêt : permet d’éviter les interférences entre lien montant et lien descendant (si la bande de garde est suffisamment large) 18 

DUPLEX 

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○ Duplexage en temps (TDD : time division duplexing): 

○ TDD Downlink offre et des l’Uplink. time slots (au lieu de bandes fréquentielles) pour le ○ Réception et émission se font sur la même fréquence porteuse. 

○ Une intervalles réservés DL. trame pour de contient la temps). transmission un Un nombre certain d’UL spécifique nombre et le reste de n de ces pour timeslots n time la transmission slots TS sont (n de ○ La slot) durée de la trame composée de n time slots=n*(durée d’un time ○ Intérêt : un seul canal fréquentiel à gérer 

○ Nécessité d’incorporer des périodes de garde(rtd) pour éviter les 

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○ interférences entre Uplink et Downlink 

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○ Utilisé en blutooth et WiMAX. 

ACCÈS MULTIPLE AU SUPPORT 

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ACCÈS MULTIPLES AU SUPPORT DE COMMUNICATION 

○ Structuré : centralisé  FDMA : Frequency Division Multiple Access  TDMA : Time Division Multiple Access  CDMA : Code Division Multiple Access (ou DS-CDMA). DS 

pour Direct Sequence 

○ Accès aléatoire  ALOHA  CSMA/CA : Carrier Sence Multiple Access/ Collision 

Avoidance 

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FDMA 

○ La bande passante est divisée en sous-bandes (canaux) 

○ Un canal fréquentiel supporte 1 seul utilisateur 

○ Utilisé dans les systèmes 1G (analogique) Si un canal FDMA n’est pas utilisé par son utilisateur assigné, il reste libre) perte de ressources. 

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TDMA 

○ Une fréquence porteuse (=canal fréquentiel) est partagée entre différents abonnées en time slots (intervalles de temps) 

○ chaque utilisateur utilise un (time slot =canal temporel) 

○ la transmission est discontinue 

○ Chaque utilisateur qui souhaite transmettre des données se voit allouer un time slot particulier dans chaque trame. 

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EXEMPLE SYSTÈME FDMA 

○ AMPS : Advanced Mobile Phone System 

○ 1er réseau cellulaire en USA 

○ basé sur FDMA/FDD 

○ nb total de canaux : 

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○ Nb total de canaux temporels = nb de slots x les canaux fréquentiels disponibles 

○ Nombre total d’utilisateurs: 

EXEMPLE1 

○ Le GSM qui est un système TDMA/FDD qui utilise 25 MHz pour la connexion montante (uplink) divisée en canaux fréquentiels de 200 KHz. On assume qu’il n’y a pas de bandes de garde. Si 8 canaux de paroles sont supportés dans chaque canal fréquentiel, trouver le nb d’utilisateurs que peut supporter GSM simultanément. 

○ Solution nb d’utilisateur simultané : 

○ N =25MHz/200 KHz*8 = 1000 

○ Donc le GSM peut supporter 1000 utilisateurs. 

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COMMUNICATION TDMA 

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EXEMPLE 2 

○ GSM utilise une structure de frame (trame) qui consiste en 8 time slots. 

○ Chaque time slot contient 156.25 bits. Les données sont transmises à un débit 270.833 Kbit/s. Trouver 

○ (a) La durée d’un bit 

○ (b) la durée d’un time slot 

○ (c) La durée d’une trame (frame) 

○ (d) Combien de temps un utilisateur qui utilise un time slot doit patienter entre deux transmissions successives. 

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EXEMPLE 3 

○ Si un time slot d’un GSM consiste de 6 bits enqueue, 8.25 bits de garde, 26 bits d’apprentissage, et deux bursts de trafic ( données pures) de 58 bits. 

○ Trouver l’efficacité de cette trame : pourcentage de données pures par rapport aux données réelles. 

○ Remarque: burst = nombre de bits transmis par chaque utilisateur à l’intérieur du slot qui lui est réservé 

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○ Exemple 4 

○ Soit une station GSM qui utilise une technique d’accès au canal radio de type TDMA, dans laquelle la trame de base possède 16 porteuses, c’est-à-dire 16 fréquences disponibles. La durée de la trame est de 4,615 ms, et chaque trame est divisée en 8 time slot. On donne le débit du multiplexeur GSM pour une seule porteuse : 270Kbit/s 1. Quel est la durée d’un seul slot de temps ? 2. donner le nombre de bit par un time slot, 3. Quel est le débit utilisateur ? 4. si chaque utilisateur occupe un slot de temps dans chaque trame pour chaque porteuse, combien de communications simultanées une cellule peut-elle contenir au maximum ? 

○ Solution: 1. Durée d’un seul slot de temps = 4.615/8 = 0.577 ms. 2. le nombre de bit par un time slot=270*0.577=156.25 bits 3. le débit utilisateur= 156.25/4.615 = 33.85 Kbit/s 4. communications simultanées une cellule=8*16 = 128 29 

BONNE CHANCE POUR LE RESTE DE VOTRE PARCOURS 

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