Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires Ch I Ch II Ch III Ch VI Ch V Ch VI Ch VII Ch VIII Ch IX Ch X Ch XI Ch XII Ch XIII : Généralité sur les Réseaux Sans Fil. : Télé-Trafic. : Protocoles d’Accès. : Ingénierie et Concept Cellulaires. : Propagation en Contexte Radio-Mobile. : Système GSM. : Systèmes GPRS & EDGE. : Réseaux Privés : DECT, Bluetooth, ... : Modulations Numériques Utilisées en Réseaux Sans Fils. : TDMA, FDMA, CDMA. : Canaux Radio-Mobiles. : Communications par Satellites. : Les Normes IEEE 802. 11 & IEEE 802.16 (WiFi et WiMax) et leurs Variantes : Systèmes Mobiles UMTS / IMT2000. Ch XIV Ch XV : Réseaux Mobiles de la Quatrième Génération. Gharbi Salah 1

Cours de la 5ème Année GTR et/ou GEII Université Mohammed Premier École Nationale des Sciences Appliquées d’Oujda Cours de la 5ème Année GTR et/ou GEII Version 1.0 (Septembre 2012) Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires Ch I : Généralité sur les Réseaux Sans Fil. Ch II Ch III Ch VI Ch V Ch VI Ch VII Ch VIII Ch IX Ch X Ch XI : Télé-Trafic. : Protocoles d’Accès. : Ingénierie et Concept Cellulaires. : Propagation en Contexte Radio-Mobile. : Système GSM. : Systèmes GPRS & EDGE. : Réseaux Privés : DECT, Bluetooth, ... : Modulations Numériques Utilisées en Réseaux Sans Fils. : TDMA, FDMA, CDMA. : Canaux Radio-Mobiles. Ch XII Ch XIII : Communications par Satellites. Les Normes IEEE 802. 11 & IEEE 802.16 (WiFi et WiMax) et leurs Variantes Systèmes Mobiles UMTS / IMT2000. Ch XIV Ch XV : Réseaux Mobiles de la Quatrième Génération. Gharbi Salah 2

Croissance du marché (1/5) En Tunisie * En 1999 365.000 abonnés GSM. * Fin 2005 12.000.000 abonnés. * Fin 2008 22.000.000 abonnés. * Fin 2010 32.000.000 abonnés. * Fin 2011 35.500.000 abonnés. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Croissance du marché (2/5) En Tunisie L’évolution du parc total d’abonnés défalqué par opérateur se présente comme suite: Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Croissance du marché (3/5) En Tunisie Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Croissance du marché (4/5) Exemple d’un autre pays : la France * Fin 2002 Abonnés : 37.800.000. Taux de Pénétration : 62,6% * Fin 2005 Abonnés : 46.200.000. Taux de Pénétration : 76,4% * Fin 2008 Abonnés : 55.150.000. Taux de Pénétration : 86,6% * Fin 2010 Abonnés : 63.000.000. Taux de Pénétration : 100% Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Croissance du marché (5/5) Exemple d’autres pays Statistiques du début d’année 2008 Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Réseaux fixes, Réseaux mobiles (1/2) * Système filaire. * Système sans fil. * Usagers disposent d’un poste fixe. * Usagers itinérants. * Point d’accès à une adresse physique. * Adressage logique. * Spectre radio (plages de fréquences). Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Réseaux fixes, Réseaux mobiles (2/2) Capacité : Radio : la capacité du spectre ne peut pas être étendue avec les mêmes possibilités que pour le fixe. Fixe : on peut augmenter la capacité en ajoutant des câbles supplémentaires. Qualité : Radio : la qualité des liens de transmissions (liens radio) est variable à cause de : La mobilité des usagers, Caractéristiques de l'environnement. BER qui fluctue Fixe : la qualité des liens de transmission est élevée et constante. Sécurité Radio : Sécurité supplémentaire car les communications peuvent être écoutées, par n'importe qui sur le canal radio qui est communément utilisé. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Organismes de gestion de spectre (1/2) Le spectre radio est nécessaire au fonctionnement d'un système radio mobile. Gestion des spectres : Limitation du spectre. Les ondes radio sont des ressources mondialement partagées. L'utilisation du spectre radio est réglementée au niveau national et international. Règles et procédures pour la planification et l'utilisation de bande de fréquences. UIT (Union Internationale de Télécommunications) Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Organismes de gestion de spectre (2/2) UIT : un plan de fréquences selon les besoins locaux de chaque région. Région 1 : Europe, Afrique et Moyen orient, Région 2 : Amérique et Groenland, Région 3 : Asie, Océanie Niveau (Europe) CEPT (Conférence Européenne d'Administration des Postes et Télécommunications), ETSI (European Technical Standard Institute) : Établissement des spécifications techniques pour les systèmes radio (Région 1). Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Différents services mobiles (1/1) Radio-téléphonie de type Cellulaire. Radio-téléphonie de Proximité (Cordless systems). Radiocommunications par Satellites. Réseaux Locaux sans Fil, WPAN, WLAN, WMAN. Réseaux Radio Privés. … Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Les générations de mobiles (1/1) Analogique G1 : AMPS, NMT, TACS, R2000, C-450, RTMS .… Numérique G2 : GSM, DCS1800, IS-136, IS-95, PDC .… G3 : IMT2000, UMTS. G4 : LTE (G3,9), LTE-Advanced … Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Première génération (1/3) ANALOGIQUE Exemples de systèmes : 1975 : AMPS (Advanced Mobile Phone System) en USA : Bande allouée: 824 - 849MHz et 869 - 894MHz 832 canaux de 30 KHz pour de la parole. Duplex: FDD (f = 45MHz) Motif à 12 bandes de fréquence pour les cellules. Mise en service en 1983. 1980 : NMT (Nordic Mobile Phone) en Suède, Norvège, Danemark, TACS (Total Access Celular System) en UK, Italie, Espagne, Autriche, Irlande, qui utilisait des fréquences de 450 MHz puis 900 MHz desservant 180 puis 1999 canaux. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Première génération (2/3) ANALOGIQUE Les téléphones mobiles à communication analogique; Pas de cryptage (aucune confidentialité); Occupation spectrale importante; Qualité de services médiocre et peu de services; La largeur de la bande de fréquences était entre 15 et 30 KHz suivant les systèmes; Interfaces radio différentes selon les pays; Volumineux; Problème de compatibilité en fonction du lieu; Saturation. Nécessité d’une nouvelle norme ! Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Première génération (3/3) ANALOGIQUE Encombrement et engorgement du réseau. Supporter plus d’utilisateurs. … Passage à la technologie numérique Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Deuxième génération (1/2) NUMERIQUE Au milieu des années 80: Systèmes numériques de 2ème génération ⇒ GSM / DCS 1800 en Europe ⇒ IS-54/136 (intermediate Standard-54/136) USA ⇒ IS-95 (CDMAone) USA ⇒ PDC (Personal Digital Cellular) Japon Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Deuxième génération (2/2) NUMERIQUE 1979 : Ouverture de la bande 900MHz pour les mobiles numériques. 1982 : CEPT, Affectation des bandes du futur téléphone numérique mobile et création du (GSM). 1987: Choix des techniques (numérique, Multiplexage FDMA/TDMA, Codage Source et Canal, Modulation). 1987 : 3 pays Européens s’engagent à ouvrir le service en 1991. * 1991 : GSM à 900 MHz, DCS 1800 MHz. 2000 : Normes de 3ème génération UMTS. Fin 2004 : Arrivée de l’UMTS. 2009 : 4ème génération. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Évolutions des débits (1/2) Mobilité 1980 1990 2000 2010 2020 Années cdma2000, WCDMA 3G LTE IMT-Ad 4G HSPA Importante E3G GSM, IS-95 3G+ 2G 1G AMPS, TACS Moyenne BWA IEEE 802.16 WLAN IEEE 802.11 Faible Débits < 10Kbit/s < 200Kbit/s 0,3–10Mbit/s 100Mbit/s 0,1–1Gbit/s AMPS : Advanced Mobile Phone System BWA : Broadband Wireless Access CDMA : Code Division Multiple Access HSPA : High Speed Packet Access IMT-Ad : International Mobile Telecommunications Advanced LTE : Long Term Evolution GSM : Global System for Mobile Communications HSPA : High Speed Packet Access WLAN : Wireless Local Area Network Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Évolutions des débits (2/2) Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Réseaux cellulaires et Réseaux sans fils (1/1) Réseau cellulaire : Couverture continue avec découpage du territoire en cellules dont la taille est variable et utilisant des stations de base ==> Optimiser l'utilisation du spectre radio alloué. Une solution à la contrainte de la limitation de la ressource radio (spectres de fréquences). Il peut être déployé rapidement qu’un service filaire traditionnel : (coût de pose des câbles). Systèmes sans fils : couverture moins complexe. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Ingénierie cellulaires (1/6) Concept cellulaire Capacité limitée : matérielle, fréquences disponibles. Concept cellulaire. Une cellule : une zone géographique plus ou moins grande couverte par un émetteur appelé station de base (BS) et utilisant une plage de fréquences pour les communications qu'elle couvre. Pas d'interférence avec les cellules voisines. Les terminaux utilisés par les usagers sont gérés par rapport à une cellule. Taille des cellules en fonction du trafic à écouler : Zones à forte densité de population (zones urbaines) => Petites cellules. Zones rurales (densité de population non importante) => Grandes cellules. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Modèle hexagonal Ingénierie cellulaires (2/6) Planification Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Ingénierie cellulaires (3/6) Concept cellulaire Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Ingénierie cellulaires (4/6) Concept cellulaire Avantages : Permet de desservir de façon continue un très large territoire. Permet d'utiliser des puissances d'émission moins importantes. Permet en diminuant la taille des cellules de réutiliser les fréquences à des emplacements plus proches : Augmentation de la capacité. Inconvénients : Travail de planification délicat (pour l’opérateur). Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Ingénierie cellulaires (5/6) Dimensionnement Estimation des ressources nécessaires : Intensité de trafic par utilisateur ; Densité de trafic ; Trafic à assurer ; Taux de blocage ; Nombre de canaux requis pour un trafic souhaité et un taux de blocage requis ; Capacité cellulaire ; … ; Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Ingénierie cellulaires (6/6) Dimensionnement & Planification Dimensionnement-planification conjointe Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Fonctions essentielles dans un réseau cellulaire (1/2) Handover ou transfert intercellulaire automatique Le système doit être disponible à n’importe quel endroit où les utilisateurs souhaitent l’utiliser. Pendant une communication, le terminal est en liaison radio avec une BS déterminée, pendant son déplacement, il change de BS tout en maintenant la communication. ==> Mobilité radio : Possibilité de déplacer le terminal en gardant la communication. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Fonctions essentielles dans un réseau cellulaire (2/2) Roaming ou Itinérance Capacité à utiliser le réseau en tout point de la zone de service (pouvoir appeler et être appelé) : => Gestion de la délocalisation. => Gérée par le sous-réseau fixe. Itinérance internationale ou International Roaming : capacité à utiliser un autre réseau que celui auquel on est abonné. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Voie montante, voie descendante (1/3) Sens descendant (downlink) (forward) : BS € Mobile. Sens montant (uplink) (reverse) : Mobile € BS. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Voie montante, voie descendante (2/3) Exemple du GSM et DCS Tx Rx f (MHz) GSM - 900 890 915 935 960 Tx Rx f (MHz) DCS - 1800 1710 1785 1805 1880 Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Voie montante, voie descendante (3/3) Exemple du GSM et DCS Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Cellulaire : caractéristiques importantes (1/1) * Service de base : accès au public; Réseaux opérés : bandes attribuées à un operateur; Couverture : un facteur déterminant; Gestion du roaming : transparente pour l’abonné; Gestion des handovers : éviter les coupures lors des changements de cellules; Mobilité; Systèmes efficaces : Appels/MHz/Km2; Capacité cellulaire : appels/MHz/cellule; Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Trajets multiples (1/3) Une onde radio qui se propage dans l’espace peut être réfléchie ou absorbée par les obstacles rencontrés (plus dans les zones urbaines). Les réflexions dépendent de la hauteur, de la taille, de l’orientation de l’obstacle et des directions des trajets de l’onde radio. On peut avoir un signal réfléchie très atténué. Les réflexions multiples : plusieurs trajets entre l’émetteur et le récepteur. Effet positif ou négatif. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Trajets multiples (2/3) Effet positif Les trajets multiples permettent aux communications d’avoir lieu dans le cas où il existe un obstacle entre l’émetteur et le récepteur. Les trajets multiples permettent aux ondes d’assurer la continuité de la couverture radio. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

  Trajet long  Trajet court c f  f v cos( ) c Trajets multiples (3/3) Effet négatif La dispersion du retard (delay spread ) : Trajet long  Trajet court   c Interférences intersymboles. Les interférences entre les différents trajets qui vont créer des fluctuations rapides dans la puissance du signal ‘évanouissement (ou fading) Rayleigh’. La modulation aléatoire de fréquences : Décalage Doppler. f  f v cos( ) Doppler c f est la fréquence porteuse, v est la vitesse relative de l’émetteur,  est l’angle entre le signal reçu et la direction du vecteur vitesse. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Rôles des canaux logiques Voie balise Présence du système (service PLMN); Synchro en fréquence, en temps; Informations systèmes sur l’operateur, la cellule ou les cellules voisines; Paging ‘éveiller’ un mobile; Random Access * … Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Canaux logiques (2/3) La communication entre un mobile et une station de base (interface radio) se fait grâce a un canal logique. Un canal logique est représenté par une paire de fréquences constituée du canal physique entrant et du canal physique sortant. Sur une paire de fréquences, on a un slot de chaque trame qui sert à la communication avec un mobile (canal Full Rate). Plusieurs fonctions de contrôle associées à différents types de canaux logiques : Établir une communication. Surveiller le déroulement d'une communication. Assurer les commutations de cellules. Transfert de données, informations système, relevés de mesures, messages de contrôle. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Canaux logiques (3/3) Impossible de réserver de façon permanente un canal à chaque usager. Les ressources sont limitées. L'accès aux terminaux est partagé. La bande de fréquence de largeur limitée allouée au système mobile doit être utilisée au mieux, pour écouler le maximum de communications. Méthodes d'accès Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Caractéristiques d'une interface radio (1/7) Duplexage FDD (Frequency Division Duplex) Émission et réception simultanées sur des fréquences différentes. Sens montant et sens descendant sur des fréquences différentes. TDD (Time Division Duplex) Sens montant et sens descendant à des instants différents sur la même fréquence. Possibilité d’allocation dissymétrique Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

€ Partage de la ressource hertzienne en fréquences (ou porteuses) Caractéristiques d'une interface radio (2/7) Multiplexage Techniques d'accès multiples : FDMA Accès Multiples à Répartition dans les Fréquences (AMRF) : (frequency division multiple access : FDMA). € Partage de la ressource hertzienne en fréquences (ou porteuses) € Un canal physique simplex : 1 fréquence. € 1 utilisateur par fréquence (ou couple de fréquences). Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Caractéristiques d'une interface radio (3/7) Multiplexage Techniques d'accès multiples : FDMA Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

€ Partage FDMA du spectre en porteuses. Caractéristiques d'une interface radio (4/7) Multiplexage Techniques d'accès multiples : TDMA Accès Multiples à Répartition dans le Temps (AMRT) : (Time division multiple access : TDMA). € Partage FDMA du spectre en porteuses. € Partage TDMA d’une porteuse en intervalles de temps ou slots € Un canal physique simplex : 1 slot (intervalle de temps) sur 1 fréquence. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Caractéristiques d'une interface radio (5/7) Multiplexage Techniques d'accès multiples : TDMA Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

€ Un canal physique simplex : 1 code. Caractéristiques d'une interface radio (6/7) Multiplexage Techniques d'accès multiples : CDMA Accès Multiples à Répartition dans le Codes (AMRC) : (Code division multiple access : CDMA). € Un canal physique simplex : 1 code. Transmission d’une séquence de chips de longueur n. Séquence propre à chaque utilisateur = multiplexage de codes. Tous les utilisateurs transmettent sur la même fréquence. € Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Caractéristiques d'une interface radio (7/7) Exemples d’utilisation des techniques UTRA : Universal Terrestrial Radio Access (interface radio UMTS) Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

À noter (1/1) Réseaux de mobiles : Téléphonie : prééminence du GSM Intégration voix/données : GPRS Plus de débits, multimédia : UMTS Réseaux privés sans fil : Réseaux personnels : IEEE 802.15 Réseaux locaux sans fil : IEEE 802.11 Diffusion : Boucle locale radio, DVB, satellites Internet : IP-mobile/cellulaire, réseaux Ad-Hoc. Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires

Fin du 1er Chapitre Cours : Réseaux sans fil & Ingénieries Cellulaires