Brève histoire du téléphone mobile Présentation réalisée par l’AHTI pour le compte du Service Mécénat d’IBM France Le téléphone mobile (GSM) tel qu’on le connaît aujourd’hui avec plus de 50 millions de portables en France est un phénomène récent (il a démarré au début des années 1990). Simple d’usage, il représente ce que l’on sait faire de mieux en technologie de télécommunications et d’informatique. Pour essayer de comprendre comment ça marche, le mieux est de retracer simplement l’histoire de ce que l’on appelle les télécommunications.

Les hommes ont toujours communiqué à distance MP3 tropical télégraphe tropical Mail marin De tous temps les hommes ont communiqué (c’est même ce qui distingue les hommes du monde animal) soit par la parole, soit par des signaux écrits ou simplifiés. Télégraphe indien

Les hommes ont toujours communiqué à distance On a gagné!! 490 avant J C Athènes Marathon Les messages importants étaient transportés par des messagers. 4 heures

Les hommes ont toujours communiqué à distance Pendant les croisades (11eme et 12eme siècle), les Turcs et les Arabes maîtrisaient déjà l'élevage des pigeons pour transmettre des messages ce qui leur rendait bien des services aux dépens des Croisés. On pouvait également utiliser des animaux intelligents.

Les hommes ont toujours communiqué à distance Le transport du courrier a été organisé en services postaux qui ont été les seuls moyens de communication à distance. Jusqu’à la fin du 18 eme siècle, la poste a été le seul moyen organisé pour la communication à distance entre les hommes

Les hommes ont toujours communiqué à distance Le Télégraphe optique de Chappe a été inventé pendant la Révolution française. La ligne Paris Lille fut créée en 1794. Il suffisait d’une heure au lieu d’un jour pour envoyer un message Paris Lille: 220 km 2 h 30 en voiture 15 h à cheval (1 jour)

Le télégraphe électrique: première application de l’électricité pour la transmission d’informations 1837 : L'Américain Samuel Morse invente un télégraphe électrique simple: des piles, un interrupteur, un électro-aimant et des fils suffisent. Code binaire Morse La technologie électrique (piles, électroaimant) a permis de révolutionner la transmission des informations à distance. La première étape fut le télégraphe. DS LE TITRE, AJOUTER « ELECTRIQUE » POUR DISTINGUER DU TELEGRAPHE « OPTIQUE »; RAPPELER LA FONCTION DE L’ELECTRO-AIMANT; MORSE INVENTE, etc : ET « UN FIL » (à la différence de Cooke, il n’utilise qu’un fil pour la transmission) SUFFISENT; SURTOUT, IL INVENTE UN CODE BINAIRE

Les fréquences Une fréquence mesure le nombre de vibrations par seconde. S’applique au son , à l’électricité (courant alternatif), aux ondes radio, etc. S’exprime en cycles/seconde ou en Hertz (Hz) Amplitude d’énergie 3 Hz . 15 Hz 1 seconde

Les fréquences sonores 20 Hz 20 000 Hz 55 Hz 7 000 Hz 300 Hz 3 400 Hz

Les fréquences radioélectriques Exemples de fréquences Courant EDF: 50 Hz Radio AM: 200 KHz Radio FM: 87.5 MHz-108 MHz Télévision: 110 MHz GSM: 900 MHz; 1800 MHz WiFi: 2.5 GHz Micro-ondes 2.5 GHz K= 1000 Kilo M= 1000 000 Méga G= 1000 000 000 Giga

Le problème de la transmission du son à distance Le son dans l’air ne se propage pas très loin et pas très vite Ici un soldat avec des « grandes oreilles » pour mieux recevoir le son afin de détecter des avions (avant le RADAR, dans les années 1930)

Le problème de la transmission du son à distance ? ? La transmission mécanique ne permet pas non plus une bonne transmission du son à distance

L’électricité a révolutionné les communications: le téléphone Le 10 mars 1876 Graham Bell réussit à transmettre par fil électrique une première phrase devenue célèbre : " Monsieur Watson , veuillez venir dans mon bureau , je vous prie“. C’était l’invention du téléphone. Haut Parleur Micro SON SON La transmission à distance du son par l’électricité est plus complexe que celle des points et traits du télégraphe. Il faut convertir les vibrations de l’air (le son) en courant électrique (ET RECIPROQUEMENT). Courant électrique

La transmission a fait des progrès continus: On a développé des moyens de transmission de plus en plus puissants (c.a.d en nombre de circuits téléphoniques simultanés et en distance): Câbles métalliques symétriques Câbles métalliques coaxiaux Faisceaux hertziens Satellites Fibre optique

Le réseau téléphonique a rapidement dû être organisé ? Exemple: Si N postes, il faut N* (N-1)/2 câbles (environ N2/2 câbles) pour que chacun puisse communiquer Par exemple, si 1 million d’abonnés (106) il faudrait 1012/2 câbles (c a d 500 milliards de câbles): impossible

On a donc introduit très tôt des points d’aiguillage (les commutateurs téléphoniques) et un annuaire des abonnés. Ce principe d’organisation est toujours valable que ce soit pour le téléphone fixe ou pour les mobiles;

Les commutateurs téléphoniques ont été automatisés à partir de 1920 Les demoiselles du téléphone 1975: premiers Commutateurs électroniques 1920: premiers commutateurs électromécaniques Les commutateurs ont d’abord été manuels, puis automatisés. Une blague du début du siècle dernier disait que sans commutateurs automatiques, les USA seraient bientôt divisés en 2: ceux qui téléphonent et ceux qui établissent les communications!!

La naissance de la radio (Télégraphie Sans Fil) X DE L’EXISTENCE DES ONDES RADIO 1888: Hertz (*) a fait la preuve expérimentale des ondes RADIO (*) on parle d’ondes hertziennes et de fréquences en Hertz

La naissance de la Télégraphie Sans Fil S O S tititi tatata tititi 1912: Le naufrage du Titanic: premier usage célèbre de la TSF On a commencé à utiliser la radio pour faire de la télégraphie. ILLUSTRATION: N’EST-CE PAS L’ANTENNE QUE L’ON APER9OIT SUR CE DESSIN DEVANT LA CHEMINEE (inutile alors d’en faire une autre)

Le son transporté par radio Il faut « moduler » l’onde radio pour transporter le son. La restitution du son se fait par « démodulation ». Ces opérations complexes sont à la base de la radio. Son + Le son est transporté par l’onde radio La transmission du son par radio est plus complexe que la télégraphie. Onde radio

Les triodes étaient les La naissance de la radiodiffusion 1922: première émission de radio à Paris Les triodes étaient les Composants critiques

Pourquoi utiliser la radio pour le téléphone ? Les avantages du sans fil: Permet la mobilité Est économique : pas besoin de câble reliant chaque utilisateur Les problèmes par rapport au téléphone fixe: Il faut des fréquences radio Il faut se protéger contre les brouillages des ondes radio Les récepteurs sont compliqués Besoin d’énergie électrique

La télégraphie sans fil en avion !! Pendant la guerre de 1914-1918 on utilisait encore des pigeons voyageurs pour envoyer des messages depuis les avions!!

Les débuts du radio téléphone Le radio téléphone a débuté sur les avions , navires et autres véhicules militaires: il n’a été opérationnel sur les avions qu’à partir de la guerre 39-45 Puis on a commencé à l’utiliser dans le civil avec des systèmes spécialisés;

Les débuts du radio-téléphone civil

Les débuts du radiotéléphone Un des premiers radiotéléphones militaires portables (radiotéléphone de campagne)

Les premiers téléphones mobiles commerciaux en France En France, le premier service commercial significatif de radiotéléphone fut lancé en 1984: RADIOCOM 2000. Juste avant le GSM, vers 1992, il n’y avait que 200 000 abonnés en France: le téléphone mobile était pour les professionnels. 10 Kg 3000 €

Un essai : le BIBOP En 1991, France Télécom a lancé un service limité de téléphonie sans fil de poche. Il fallait s’arrêter près d’une borne marquée du signe BIBOP et s’identifier. Il a été abandonné rapidement au profit du GSM.

Le lancement du GSM En 1982 les opérateurs européens de télécom se sont mis d’accord sur: La réservation de la même plage de fréquences radio dans tous les pays pour la téléphonie mobile. L’étude d’un nouveau système mobile appelé GSM (Global System for Mobile communications). Le GSM a démarré en Europe au début des années 1990

Les principes du GSM

Le GSM est très innovant Il utilise le principe de la téléphonie cellulaire; La voix est numérisée dès le poste téléphonique; Il faut beaucoup d’intelligence (grâce à l’informatique) pour gérer la mobilité;

La gestion des fréquences radio Il faut des arbitres internationaux Cette fréquence est à moi Na! Les fréquences des ondes radio sont une ressource naturelle rare et très disputée entre de multiples utilisateurs: Militaires, Police , pompiers, Navigation maritime et Aéronautique (radars, radiotéléphonie) Diffusion des programmes radio et télévision Communications par satellites Téléphone personnel

Les fréquences radio Une ressource naturelle très disputée! GSM

La gestion des fréquences Dans les premiers systèmes de radiotéléphonie (radio maritime, CiBi) un principe simple était appliqué: les échanges se partageaient le même canal (bande de fréquences): il fallait parler chacun son tour!

La gestion des fréquences Avec un seul émetteur, la plage des fréquences réservées pour le GSM permet d’écouler au plus de l’ordre de 1000 communications simultanées. On a donc cherché à multiplier le nombre d’émetteurs, avec un nouveau problème: comment éviter le brouillage entre émetteurs? C’est pourquoi on a inventé le téléphone cellulaire (Bell Labs vers 1947)

Le téléphone cellulaire On divise le territoire en cellules, chacune desservie par un émetteur. Deux cellules voisines doivent utiliser des fréquences différentes (représentés ici par des couleurs) REPRESENTEES On divise le territoire en cellules, chacune desservie par un émetteur. Comme en radio ou en télévision, pour éviter les brouillages, dans chaque cellule on n’utilise qu’une partie des fréquences possibles. Chaque couleur représente une plage ensemble de fréquences. Il faut que deux cellules de même fréquence (couleur) soient séparées de deux cellules de couleur différente. Il faut 7 couleurs pour y arriver. Combien faut il de cellules en France ? On peut faire un petit calcul très très simplifié. 50 000 000 de mobiles en France. A 12 h 30, 1% des mobiles veulent téléphoner, cad 500 000 appels simultanés. Chaque cellule permet 1/4 des comm. disponibles, cad 992/4= 141 comm. En théorie, il faudrait 500 000/141, environ 3500 cellules.

Le téléphone cellulaire Problèmes: Il faut savoir où sont tous les mobiles par la gestion de la mobilité Il faut que la communication ne soit pas interrompue quand on passe d’une cellule à l’autre (piéton, voiture, train). Combien faut il de cellules en France ? On peut faire un petit calcul très très simplifié. 50 000 000 de mobiles en France. A 12 h 30, 1% des mobiles veulent téléphoner, cad 500 000 appels simultanés. Chaque cellule permet ¼ des comm. disponibles, cad 992/4= 248 comm. (POURQUOI 1/4?) En théorie, il faudrait 500 000/248, environ 2000 cellules.

Le téléphone cellulaire On a introduit le mécanisme de "hand over“ permettant de changer de cellule sans couper les communications Ne coupez pas Combien faut il de cellules en France ? On peut faire un petit calcul très très simplifié. 50 000 000 de mobiles en France. A 12 h 30, 1% des mobiles veulent téléphoner, cad 500 000 appels simultanés. Chaque cellule permet ¼ des comm. disponibles, cad 992/4= 248 comm. En théorie, il faudrait 500 000/248, environ 2000 cellules.

Le prix des portables Un portable est un appareil très complexe, en fait un véritable ordinateur de poche. Principales fonctions d’un portable Numérotation d’un appel Identification et gestion de la carte SIM (Subscriber Identity Module), facteur de sécurité Microphone / haut-parleur Numérisation (codage/décodage) Gestion des SMS Gestion de l’annuaire local Internet Et il faut une bonne batterie EXPLIQUER A QUOI SERT LA CARTE SIM (que l’on ne retrouve pas dans tous les systèmes de téléphonie mobile)

Le prix des portables Ces terminaux complexes sont devenus économiques grâce aux progrès technologiques. Entre 1970 et 2000, la puissance des composants a été multipliée par 100 000 (loi de MOORE) 1993 Poids, prix 2006

La numérisation De plus en plus, on numérise l’information, et pas seulement celle qui est échangée sur Internet. Exemples: Musique: CD, MP3 Télévision: la TNT Photographie : JPEG Bientôt la radio Téléphonie: GSM, voix/Internet Etc...

La numérisation La numérisation a de nombreux avantages. Elle permet: Une bonne protection contre les parasites (le bruit) La compression (on ne transmet que l’information utile, on élimine les répétitions) ce qui permet des économies de fréquences, (TNT, GSM) ou de mémoire (MP3) Des appareils à bas prix (grâce aux composants numériques en grande série)

Courant électrique analogique La numérisation Dans le téléphone classique, un courant électrique reproduit les vibrations du son. Pour que la voix soit compréhensible on transmet les fréquences entre 300 Hz et 3400 Hz Haut Parleur Micro Salut SON SON Courant électrique analogique Hz: Hertz ou cycle par seconde

La numérisation SON SON Dans le téléphone numérique le courant électrique de la voix est codé en chiffres binaires (0 et 1): c’est sous cette forme que la voix est échangée entre les deux appareils avec un CODEUR et un DECODEUR. Haut Parleur Micro T’es où? SON 0101101101 COD DEC SON Un peu de terminologie: En Anglais, chiffre binaire se dit binary digit. Les Américains qui ont le sens du raccourci parlent de bit et de bps (nombre de bits par seconde). Canal numérique

La numérisation Courant électrique Codage binaire mesure de l’énergie du courant 8000 fois par seconde (Echantillonnage) Codage binaire Ce procédé de numérisation de la parole est utilisé depuis les années 1970 dans le cœur du réseau téléphonique fixe avec un débit de 64 000 b/s par communication téléphonique. Rappel de la numération binaire:

La numérisation Dans le "vieux" réseau fixe: le local est analogique Numérique Dans le "vieux" réseau fixe: le local est analogique Dans le GSM la communication est tout numérique

La numérisation débit divisé par 5 64 000 b/s 13 000 b/s COMPRESSION La compression dans le GSM permet de réduire le débit à 13 000 b/s par communication téléphonique. Le mécanisme de compression de la voix pour le GSM a été mis au point dans les années 80 dans les labos d’IBM la Gaude. Rappel de la numération binaire:

L’intelligence dans le réseau La gestion de la mobilité n’est possible qu’avec des ordinateurs puissants (le réseau sait à tout instant localiser tous les mobiles allumés!) Pour comprendre le fonctionnement du réseau nous allons suivre ce qui se passe quand Mr ZAVATTA qui a pris l’avion pour Montpellier appelle Mr ZIGOTO qui est resté à Paris.

L’intelligence dans le réseau INFORMATIQUE CENTRALE C001 Commutateurs CXXX Numéro de cellule (environ 5000 cellules en France C1001 C002 PRECISER: LES COMMUNICATIONS VOYAGENT, entre les commutateurs, LE LONG DE CÂBLES (ILS N’ONT PAS DISPARU, ILS SONT EN FIBRES OPTIQUES) Les principaux composants d’un réseau GSM C1000

L’intelligence dans le réseau INFORMATIQUE CENTRALE Annuaire Localisation Consommation C001 CXXX C1001 N° de Cellule C002 Zigoto 06 87 65 43 21 C1000

La base de données centrale, cœur du fonctionnement du réseau L’intelligence dans le réseau Données mises à jour en temps réel Données Permanentes La base de données centrale, cœur du fonctionnement du réseau

L’intelligence dans le réseau INFORMATIQUE CENTRALE Zavatta arrive à Montpellier et allume son portable. L’ordinateur central est informé et mis à jour Annuaire Localisation Consommation C001 Zavatta 06 12 34 56 78 Information s de service (numérotation, SMS) C1001 C002 Zigoto 06 87 65 43 21 C1000

L’intelligence dans le réseau Données mises à jour en temps réel Données Permanentes

L’intelligence dans le réseau Données mises à jour en temps réel Données Permanentes

L’intelligence dans le réseau INFORMATIQUE CENTRALE Zavatta appelle Zigoto Il numérote ça sonne chez Zigoto Annuaire Localisation Consommation C001 Zavatta 06 12345678 C1001 C002 Zigoto 06 87 65 43 21 C1000

L’intelligence dans le réseau INFORMATIQUE CENTRALE Zigoto répond et ils se parlent: T’es où? Le compteur de facturation de Zavatta est mis à jour Annuaire Localisation Consommation C00 1 Zavatta 06 123 45678 C1001 Voix C00 2 PAS DE CIRCUIT DE FACTURATION? UNE LIGNE BLEUE POUR LA CONSOMMATION? Zigoto 06 87 65 43 21 C1000

L’intelligence dans le réseau Données mises à jour en temps réel Données Permanentes

L’intelligence dans le réseau Données mises à jour en temps réel Données Permanentes

Le SMS: un bonus inattendu! Zavatta envoie un SMS à Zigoto C001 Centre de service de SMS Zavatta 06 12345678 1 SMS= 160 caractères de 7 eb ou 140 caractères de 8 eb sur le canal de signalisation C1001 C002 Zigoto 06 87 65 43 21 C1000

CONCLUSION

Quinze ans après Le téléphone mobile d’aujourd'hui est le résultat de près de 150 ans de progrès scientifiques, techniques et industriels en télécommunications et informatique; Il se développe partout dans le monde, pays riches et pauvres;

Évolutions en cours au-delà de la voix et du SMS Internet mobile rapide (la 3G appelée aussi UMTS) TV mobile (dérivée de la TNT) Services de localisation avec GPS Télépaiement Etc… A vos imaginations!

Le mobile en France Fin 2007 52 millions GSM

~50% de la population mondiale disposera d’un téléphone mobile Le mobile dans le monde En 2010 ~50% de la population mondiale disposera d’un téléphone mobile 3 milliards

ANNEXES

http://www.ahti.fr/ Présentation réalisée par l’AHTI pour le compte du service Mécénat d’IBM France

Cette présentation a été faite dans le cadre du programme MOBI3 pour le compte de la Direction du bénévolat d’IBM France. Mobi 3 : pour téléphone mobile mobilité Conçu par : En partenariat avec : 67

Les 6 collèges du projet pilote MOBI3 1 78 - Yvelines Collège Magellan - 33 bis, avenue de Poissy 78570 Chanteloup les Vignes Collège Ariane - Place des Frères Voisins - 78280 Guyancourt Collège Albert Thierry - rue Albert Thierry 78520 Limay 91 - Essonne Collège Galilée - 10, place des Fédérés - BP 149 91005 Evry cedex 92 - Haut-de-Seine Collège Jean-Baptiste Clément - 58 rue du Président Kennedy 92700 Colombes 95 - Val d’Oise Collège Louis Aragon - 1, place Eugène Delacroix 95370 Montigny les Cormeilles 2 3 4 5 6

La naissance de la radio (Télégraphie Sans Fil) La découverte des ondes radio (ondes électromagnétiques) a été faite à la fin du 19eme siècle: 1865: Maxwell : découverte théorique 1888: Hertz (*): preuve expérimentale Démarrage de la radio: 1898: première liaison radio télégraphique 1922: émissions régulières de radio diffusion depuis la Tour Eiffel (*) on parle d’ondes hertziennes et de fréquences en Hertz Les ondes radio ont été découvertes par des savants théoriciens.

Satellite Inmarsat 600 canaux simultanés par satellite 432 Kb/seconde

Capacité des cellules en GSM 1voie de téléphone est portée par un débit de 13,8 kb/s fréquences = < 124 canaux full duplex 124 123 122 1 8 IT par trame temporelle 1 2 8 577µs 1 trame GSM 4,615ms (c.a.d. 216 trames/s) Jusqu’à 8 x 124 = 992 canaux logiques théoriques; 1/7 avec le plan de fréquences soit ~ 140 canaux simultanés par cellule.

Loi de Moore Entre 1970 et 2000, la puissance des composants a été multipliée par 100 000 (loi de MOORE)

La compression Exemples de taux de compression TNT: la TNT a été lancée en France en 2006. Elle permet 4 fois plus de chaînes que le TV analogique qui disparaitra en 2011. Les fréquences libérées par la TV analogique s’appellent le dividende numérique.