COURS DE RESEAUX MOBILES Par Ir NUGAME Clovis Université du BURUNDI ITS/TIC G.C BAC

CHAP 1 : INTRODUCTION 1.1 Évolution des réseaux mobiles 1.2 réseaux câblés vs réseaux mobiles 1.3 Gestion du spectre radio 1.4 Une vision du futur

UNIVERSITE DU BURUNDI PAR Ir NUGAME CLOVIS 1.1 Évolution des réseaux mobiles.

1.2 réseaux câblés vs réseaux mobiles Réseaux fixes -Système filaire -Usagers disposent d'un poste fixe (point d'acces réseau fixe). -Point d'acces a une adresse physique - Réseaux mobiles -système sans fil, -usagers itinérants, - adressage logique, -spectre radio (plages de fréquences)

1.2 réseaux câblés vs réseaux mobiles Mode de Transmission POINT D’ACCES SUPPORT POINT D’ACCES ONDE RADIO RESEAU FIXE RESEAU MOBILE

1.2 réseaux câblés vs réseaux mobiles MOBILE : -les usagers communiquent via un point d'accès variable -L'usager peut changer de point d'acces réseau entre 2 connexions et au cours de la même connexion (handover) gestion de la mobilité (2 niveaux) : du point de vue réseau : permettre au système de retrouver un abonne (localisation) du point de vue usager : éviter l'interruption d'une communication lors FIXE: les usagers communiquent via un point d'acces fixe

1.2 réseaux câblés vs réseaux mobiles Du point de vue sécurisation des données Le Système Mobile: Nécessite d'integrer une notion de sécurité supplémentaire car les communications peuvent être écoutées, par n'importe qui sur le canal radio qui est communément utilise

1.3 Gestion du spectre radio LES RESSOURCES RADIO Les transmissions filaires ne sont théoriquement pas limitées en ressources (on multiplie le nombre de fils, de fibres…) Les fréquences radio sont des ressources rares. On définit alors: - LES BANDES DE FRÉQUENCES RADIO que l’on partage entre les différents utilisateurs. Ex. La bande de fréquence FM définit entre 88 MHz et 108 MHz -LES CANAUX FRÉQUENTIELS, dans chaque BANDE, qui sont des intervalles de fréquences adjacent, éloignés d’une valeur définie Ex. tous les 200 kHz dans la bande FM

1.3 Gestion du spectre radio. -LA COUVERTURE RADIO CORRESPONDANTE Les ondes radios s’affaiblisse en raison du carrée de la distance parcourue ALLOCATION DYNAMIQUE DES CANAUX FRÉQUENTIELS La notion de partage de ressources de fréquence a été introduite dans les réseaux radio électronique en 1964 On alloue un canal a un utilisateur pour le temps d’une communication

1.3 Gestion du spectre radio Il y a plus d’abonnes que de canaux par unité de temps. (Ici 6 abonnes et 4 canaux) D’ou la nécessité d’allouer le canal entre plusieurs et. Beaucoup des techniques ont été élaborées pour permettre un partage optimal tel que : FDMA,TDMA,CDMA,SDMA Que nous allons détailler dans la suite du cours

CHAP 2 : CARACTÉRISATION DES COMMUNICATIONS SANS FIL CHAP 2 : CARACTÉRISATION DES COMMUNICATIONS SANS FIL 2.1 Caractérisation des antennes 2.2 Caractéristiques de propagation 2.3 Interférences 2.4 Impacts des ondes radio CHAP 2 : CARACTÉRISATION DES COMMUNICATIONS SANS FIL

2.1 Caractérisation des antennes

L’ antenne est un transformateur d’ énergie : A l’ émission elle transforme une énergie électrique (v(t), i(t)) fournie par un générateur en énergie électromagnétique (e (t), h(t)) en tout point P(x,y,z) de l’espace. En particularité, il est intéressant de connaitre cette énergie très loin de l’antenne d’ émission. A la réception l’antenne transforme l’ énergie électromagnétique caractérisée par le champ électromagnétique autour d’elle (e(t), h(t)) en énergie électrique sur une charge (v(t), i(t)).

2.1 Caractérisation des antennes capacité d'emettre et de recevoir a une certaine fréquence 1. diagramme de rayonnement : représentation graphique des propriétés de rayonnement de l'antenne en fonction des coordonnées spatiales 2. réciprocité : capacité de concentrer l‘énergie dans des directions septiques 3. gain (en dB) : puissance (de l'onde)

2.1 Caractérisation des antennes 4.La polarization La polarisation d'une onde EM est le type de trajectoire que décrit l'extrémité du champ E au cours du temps dans le plan transverse. Il existe trois types de polarisation : Polarisation linéaire Le champ E n'a qu'une composante variant sinusoïdalement: sa trajectoire est donc un segment de droite. Un dipôle génère classiquement one onde EM polarisée linéairement. Polarisation circulaire Le champ E a deux composantes Eq et Ej de même amplitude et déphasées de 90 degrés, son extrémité décrit un cercle. Polarisation elliptique La polarisation elliptique correspond au cas général d'un champ E comprenant deux composantes Eq et Ej d'amplitudes et de phases quelconques

2.1 Caractérisation des antennes exemples d'antenne antennes filaires (les plus courantes) utilisées sur les véhicules, les bâtiments, les bateaux, etc. Il en existe de différents types : le rectiligne dipôle, boucle, hélice Ces types peuvent être combines dans une antenne unique. antenne de type ouverture rayonnante plus récent que le filaire, utilisation réservée a de plus hautes fréquences, facilite de montage ! très souvent utilisée dans le domaine de l'aviation. antenne a réflecteurs ; consiste en une source illuminant une surface réfléchissante. Principalement utilisées pour les communications spatiales nécessitant des antennes pour communiquer sur des distances importantes.

2.2 Caractéristiques de propagation La propagation du signal entre l'emetteur et le récepteur entraine la dégradation de la qualité du signal (due a plusieurs phénomènes)  erreurs dans les messages reçus, pertes d'information pour l'usager ou le système de communication. Les principales dégradations : atténuation, brouillage atténuation pertes de propagation dues a la distance parcourue par l'onde atténuations de puissance du signal (obstacles, végétation, atmosphère, etc) Évanouissements(fading) de la puissance dues aux effets induits par le phénomène multi trajet (multi trajet = réflexion du signal sur différents obstacles)

2.3 Interférences Brouillage ou Interférences Le brouillage est du aux interférences créées par d'autres émissions (type de perte très important dans les systèmes a réutilisation de fréquences). on a 2 types d'interférences dans un système radio mobile : 1. interférences co-canal : dues aux émissions d'autres équipements sur la même bande de fréquence 2. interférences sur canal adjacent : dues aux émissions d'autres équipements sur des fréquences adjacentes. dus aux bruits ambiants (provenant d‘émissions d'autres systèmes)

2.3 Interférences

Les brouillages possibles sont les suivant: N°1: Brouillage der la réception en D par l ’émission en A Solution : Antenne en A et D non en visibilité l’une à l’autre = Bon non alignés N°2:Brouillage par couplage de la réception en A à la fréquence F2 par l’émission en A de la fréquence F1: une partie émise est réinjectée au niveau des branchements sur les guides d’onde dans la chaine de réception Solution : Un écart convenable entre la fréquence de l’émission et de la réception (F1 et F2) ainsi qu’un bon filtrage des signaux reçus.

2.3 Interférences N°3: Brouillage de la réception B venant de C par la réception venant de A vers B La directivité des antennes est imparfaite et l’antenne B dirigé vers C capte une partie de l’ énergie par le lobe arrière Solution : Il faut utiliser des antennes extrêmement directives N°4: Brouillage de la réception en A par l’énergie rayonnée par le lobe arrière de l’antenne B dirigées vers C Solution : Solution : Il faut utiliser des antennes extrêmement directives

2.4 Impacts des ondes radio

CHAP III : MÉTHODES D'ACCÈS 3.1 Concepts de base 3.2 Accès multiple à répartition en fréquences (FDMA) 3.3 Accès multiple à répartition dans le temps (TDMA) 3.4 Accès multiple à répartition de codes (CDMA) 3.5 Technologies émergentes CHAP III : MÉTHODES D'ACCÈS

4.1 Concepts de base  Dans un système de transmission, chaque communication consomme une ressource physique dont le volume dépend de la quantité d’information à envoyer.  Sur l’interface radio, la ressource est le canal physique. Le système commence par définir ce canal, puis il planifie la distribution du canal entre les différents utilisateurs à l’aide de mécanismes d’allocations de ressources. L’ensemble des ressources disponibles forme la bande passante.  Cette bande est divisée en plusieurs ensembles de canaux radio non interférents.  Ces canaux peuvent être utilisés simultanément, à condition qu’ils garantissent une qualité acceptable. Le multiplexage de plusieurs communications sur une même bande passante se fait à l’aide des techniques FDMA, TDMA, CDMA

4.2 Accès multiple à répartition en fréquences (FDMA) FDMA (Frequency Division Multiple Access), divise la ressource canal en plusieurs bandes de fréquences pouvant être de largeur variable. Les fréquences sont attribuées aux différentes stations selon leur besoin.

FDMA = AMRF  Technique très ancienne de multiplexage  Utilisée en transmission radio  Repose sur le partage de canal fréquentiel en sous bandes  Chaque utilisateur se voit affecté à une sous bande exclusive CARACTERITIQUES DE LA TECHNIQUE FDMA

OFDM PRINCIPE Chaque station comporte de ce fait n modulateur, un émetteur, un récepteurs et n démodulateurs.

Chaque utilisateur transmet dans une bande unique mais à tout moment L’espace entre chaque sous bandes adjacentes doit être suffisant OFDM PRINCIPE

3.3 Accès multiple à répartition dans le temps(TDMA) TDMA (Time Division Multiple Access),consiste à découper le temps en tranches et à allouer les tranches aux stations.

CARACTERITIQUES DE LA TECHNIQUE TDMA  Transmission sur toute la bande fréquentielle disponible  Le temps de transmission est divisé sur le nombre d’utilisateurs  Chaque user transmet dans un intervalle de temps : IT (Time-Slot)

CARACTERITIQUES DE LA TECHNIQUE TDMA  Chaque utilisateur se voit affecté d’un IT dans chaque trame envoyée  Découpage de message en « morceaux », chaque morceau est envoyé dans un IT de chaque trame  Plus N augmente, plus IT est petit !!  Le slot accueille un élément de signal radioélectrique : le burst

TDMA : Structure du Burst normal

 La norme GSM impose l'organisation du transport des slots sous forme d'une structure à 4 niveaux hiérarchiques de trames :  La trame TDMA: 8 slots, Ttdma= 4,615 ms  La multitrame: de 2 types possibles suivant le type de canaux à transporter  Multitrame à 26 : 26 trames TDMA, Durée = 120 ms (canaux de trafic et de contrôle)  et Multitrame à 51 : 51 trames TDMA, Durée = 235,365 ms (pour les contrôles).  La supertrame: 1326 trames TDMA; TSUPERTRAME= 6,12 s  La structure de supertrame permet d'homogénéiser l'organisation entre tous les slots d'une même trame TDMA.  L'hypertrame: 2048 supertrames  Chaque trame TDMA est repérée par un compteur FN dans l'hypertrame.  Le compteur FN donne en quelque sorte la base de temps propre de la BTS  La BTS transmet régulièrement au mobile le compteur FN lui permettant de se repérer dans l’hypertrame. TDMA : organisation des trames (cas de GSM)

3.4 Accès multiple à répartition de codes (CDMA) CDMA (Code Division Multiple Access), consiste à allouer aux différentes stations la bande passante globale mais avec un code tel que tous les signaux sont émis en même temps, le récepteur étant capable de déterminer les signaux à capter en fonction du code et de la puissance associée.

Code Division Multiple Access utilisé dans les réseaux de 3G Repose sur l’accès multiple par répartition de codes Technologie réservée aux systèmes numériques Deux apports majeurs Chaque utilisateur pourrait utiliser toute la bande et envoyer à tout moment MAIS à code unique Etalement de spectre CARACTERITIQUES DE LA TECHNIQUE CDMA

 Avec le CDMA, que l’on trouve dans les réseaux de mobiles terrestres de troisième génération, la station terrestre émet sur l’ensemble de la bande passante mais avec un code qui détermine sa puissance en fonction de la fréquence. Cette solution permet au récepteur de décoder les signaux et de les récupérer.  La difficulté de cette méthode réside dans une émission avec une puissance déterminée, de façon que la station terrestre de réception puisse démêler tous les signaux reçus simultanément CARACTERITIQUES DE LA TECHNOLOGIE CDMA

3.5 Technologies émergentes L’OFDM  L’OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCE DIVISION MULTIPLEX) est une des techniques les plus utilisées aujourd’hui dans les réseaux modernes(WIMAX, LTE..). Elle utilise la technique d’allocation FDMA, mais au lieu d’être obligé de séparer les canaux des différentes fréquences, on utilise des fréquences orthogonales : lorsque la puissance est maximale sur une fréquence, elle est nulle sur les fréquences connexes.  Cette solution permet de transporter des éléments binaires différents sur chaque sous bande, de telle sorte que plusieurs bits voire octets peuvent être transmis simultanément.

Les fréquences de l’OFDM

CHAP IV : GESTION DES RESSOURCES 4.0 Concept cellulaire 4.1 Réutilisation des fréquences 4.2 Évaluation de la distance de réutilisation 4.3 Contrôle de puissance 4.4 Affectation des canaux CHAP IV : GESTION DES RESSOURCES

Architecture d’un réseau de mobiles Les Réseaux Guy Pujolle 4.0 concept cellulaire

 Le concept de cellule est introduit comme une solution à la contrainte de la limitation de la ressource radio (spectres de fréquences).  Une cellule =  zone géographique couverte par un émetteur et utilisant une plage de fréquences pour les communications qu'elle couvre.  pas d'interférence avec des cellules voisines.  Les terminaux (mobiles, portables) utilisés par les usagers sont gérés par rapport à une cellule.

4.1 Réutilisation des fréquences  Le concept cellulaire doit son origine et son utilisation actuelle massive au problème suivant :  Comment desservir une région de taille importante (pays voir continent) avec une largeur de bande limitée et avec une densité d’usagers importante ou qui peut augmenter?  Le concept permet de répondre à ce problème :  En mettant en œuvre le mécanisme de réutilisation de la fréquence

4.1 Réutilisation des fréquences  Ce mécanisme repose sur la propriété d’atténuation des ondes radioélectriques qui fait qu’une fréquence utilisée dans une cellule donnée peut être  réutilisée dans une autre cellule si celle-ci est suffisamment éloignée de la première;  Les cellules utilisant les mêmes fréquences sont dites co-cellules;  Celles–ci doivent être suffisamment éloignés les une des autres jusqu’à ce que le niveau d’interférence co-canal dans chacune d’elles soit suffisamment bas pour ne pas dégrader la qualité de communications.  La bande allouée au système est partagée en sous-bande;  Chaque sous-bande est allouée à une station de base particulière

4.1 Réutilisation des fréquences

4.2 Évaluation de la distance de réutilisation Un facteur interressant dans la reutilization des frequencies est la distance entre les stations de base utilisant la meme frequence. Soit D la distance entre les stations de base et R le rayon d’une cellule (hexagonal)

4.0 concept cellulaire

UNIVERSITE DU BURUNDI PAR Ir NUGAME CLOVIS CONTENU DU COURS CHAP 3 : ARCHITECTURES TYPIQUES 3.1 Sous-système radio 3.2 Sous-système réseau 3.3 Architecture logicielle 3.4 Architectures actuelles et futures