Module Mobilité 3ème année licence Partie I Les réseaux mobile

Introduction Les réseaux sans fil ont été conçus comme une extension mobile des réseaux fixes afin de permettre aux utilisateurs des réseaux classiques de se déplacer autour d’une station fixe. Mais si cette mobilité reste limitée, l’utilisateur devient mobile. Les équipements terminaux qui utilisent la voie hertzienne pour communiquer et qui peuvent se déplacer forment des réseaux mobiles. Ces réseaux constituent en fait un sous ensemble des réseaux sans fil. Il existe plusieurs sortes d’utilisateurs mobiles : ceux qui ont une forte mobilité et qui changent de zone géographique et ceux qui restent immobiles ou se déplacent suffisamment peu pour rester connectés à la même entrée du réseau.

Les réseaux mobiles Les réseaux mobiles sont des réseaux sans fil dans lesquels au moins deux terminaux peuvent communiquer sans liaisons filaires. Grace à ce type de réseau, un utilisateur (abonné) a la possibilité de rester connecté au réseau tout en se déplaçant dans un périmètre géographique plus ou moins étendu, c’est la raison pour laquelle on parle de « mobilité ». Ces réseaux sont basés sur une liaison utilisant des ondes radioélectriques et utilisent l’interface radio comme support de transmission.

Classification On distingue deux types de réseaux en se basant sur leurs topologies : - L’architecture à infrastructure  - L’architecture Ad-Hoc

Concept cellulaire diviser le territoire en petites zones appelées cellules et de partager les fréquences radio entre elles L’utilisation du concept cellulaire a pour intérêt de permettre la réutilisation des ressources radio (fréquences) Le principe de réutilisation de fréquences consiste à allouer la même gamme de fréquence à des cellules suffisamment distante afin d’éviter les interférences

Exemple de motif de cellules Une cellule se caractérise par : Sa puissance d’émission, ce qui se traduit par une zone de couvertures à l’intérieure de laquelle le niveau du champ électrique est supérieure à un seuil déterminé. La fréquence de porteuse utilisée pour l’émission radioélectrique. Le réseau auquel elle est interconnectée.

Quatre générations sont répertoriées : · La première concerne la téléphonie mobile avec des communications analogiques. · La deuxième utilise une communication numérique · La troisième génération voit le terminal se sophistiquer avec l’introduction d’applications multimédias . La quatrième génération se donne pour ambition de disposer d’un haut débit, de l’IP mobile et de mettre en commun la grande variété de solutions mobiles, souvent complémentaires entre elles et de les proposer sous une forme unifiée.

Les réseaux fournis par la première génération des réseaux de mobiles (sans fil et cellulaires) sont quasi inexistants en dehors du téléphone. Cette première génération repose sur une communication analogique. Son succès est resté très faible en raison du coût des équipements qui n’ont pas subi de miniaturisation. La deuxième génération est passée au numérique ce qui a permis le développement de composants en grande série et l’arrivée du téléphone mobile dans le grand public.

Tableau récapitulatif des générations Réseau sans fil Réseau cellulaire 1ère génération CT0, CT1 NMT, R2000, AMPS, TACS 2ème génération CT2, DECT, PHS GSM, D-AMPS, PDC, PCS1800/1900, IS95A/IS41 et IS36/S41 2ème génération et demie GPRS, IS95B 3ème génération UMTS, W-CDMA, CDMA2000, EDGE, DECT 4ème génération Cellulaire-4G ITS (Intelligent Transport System), HAPS (High Altitude Stratospheric Platform)

Première Génération (1G) 1-a Les Systèmes sans fil Les systèmes sans fil de première génération sont caractérisés par des terminaux analogiques dotés d’une mobilité très restreinte et de services limités. Deux standards ont été développés : le CT0 (Cordless Telephone), principalement utilisé aux Etats-Unis et au Royaume-Uni, et le CT1 utilisé en Europe. Ces terminaux réalisent des performances modestes parasites et interférences Terminaux chers et souffrent du manque de sécurité, d’une faible autonomie

1-b Les systèmes cellulaires Elle est basée sur une transmission analogique avec une modulation de fréquences. Elle est constituée d’appareils relativement volumineux, utilisant une faible bande passante. Cette norme ne permet que la transmission de la parole. On y retrouve essentiellement les standards suivants : AMPS (Advanced Mobile Phone System) apparu aux USA, constitue le premier standard des réseaux de 1G, il possède de faibles mécanismes de sécurité rendant possible le piratage des lignes téléphoniques. TACS (Total Access Communication System) est la version européenne du standard AMPS utilisant une bande de fréquence de 900MHz. ETACS (Extended Total Access Communication System) est une version amélioré du standard TACS, il a été développé au Royaume-Uni et permet l’utilisation d’un nombre plus important de canaux de communications.

Résumé de la 1G Signaux analogiques Fréquence de 800 à 900 MHz Multiplexage réalisé par FDMA Cellules de 10 à 20 Kilomètres Appels non sécurisés Transfert de voix uniquement

Deuxième Génération (2G) La deuxième génération des réseaux de mobiles, qu’ils soient sans fil ou cellulaires, est caractérisée par l’introduction de la technologie numérique. Elle est apparue dans le système sans fil avec le CT2, le DECR (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) et le PHS (Personal Handyphone System). Ces réseaux offrent une couverture radio assez importante La complexité technique pour accéder au service est assez faible, l’utilisateur devant se trouver impérativement dans la cellule et y rester.

2-a Réseau sans fil L’objectif est de fournir une norme qui permet aux utilisateurs de changer de réseau et d’opérateur tout en gardant le même terminal. Exemple CT2 Ce système ne fournit pas de couverture nationale mais est installé à des endroits où le trafic d’appel est important

2-b Le système cellulaire Le premier grand standard est le GSM (Global System for Mobile Communication) c’est le standard le plus utilisé en Europe et aux Etats-Unis. Les bandes de fréquences utilisées par le GSM varient en fonction des pays. En Europe le GSM utilise les bandes de fréquence 900 MHz et 1800 MHz alors qu’aux USA il utilise la bande de fréquence 1900 MHz. Les ressources sont partagées par multiplexage temporel réalisé par TDMA (Time Division Multiple Access). Cela signifie que chaque appel reçoit toute la bande de fréquences mais que pendant un certain temps. Ceci est plus performant que FDMA. Les GSM ne sont plus identifiés via l’appareil comme pour la première génération mais via la carte SIM (Subscriber Identity Module). Cette carte permet d’identifier l’utilisateur et est indépendante du terminal.

La nouveauté par rapport à la première génération est la séparation entre le terminal et l’utilisateur (en effet un utilisateur pourra utiliser différents terminaux tout en conservant les mêmes services (numéros de téléphones et carnet d’adresses). La carte SIM permet la mise en œuvre de systèmes de sécurité (authentification au niveau du réseau, protection des communications (cryptage).

Le réseau spécifique PLMN (Public Land Mobile Network) réseau public terrestre, est un réseau de télécommunication qui permet aux utilisateurs d’accéder à différents services. Il repose sur différentes architectures normalisées tel que GSM, UMTS, … On peut trouver plusieurs PLMN pour des opérateurs différents interconnectés entre eux pour permettre la communications des utilisateurs Ils sont interconnectés avec le RTC (réseau téléphonique commuté)ou « réseau fixe » et les réseaux de voix sur IP (Internet), ce qui permet d'établir des communications entre terminaux mobiles et terminaux fixes.

Exemple de réseau 2G Le réseau GSM La norme GSM permet un débit maximal de 9,6 kbps.

Le réseau GSM est composé en plusieurs entités, lesquelles ont des fonctions spécifiques, et qui sont répertoriées en trois sous systèmes : BSS, NSS, OSS Une station Mobile appelée Mobile Station (MS) : c'est habituellement un téléphone mobile, mais de manière générale, cela peut être n'importe quel appareil disposant d'un transmetteur adéquat et d'une carte SIM (Subscriber Identity Module). Chaque terminal mobile est identifié par un code unique IMEI (International Mobile Equipment Identity).ce code est vérifié à chaque utilisation. Une station de base BTS (Base Transceiver Station) est l’élément central, qu’on peut définir comme un émetteur-récepteur relié à une antenne, pilotant une cellule. À cela se rajoute le Transcoder (Transcoding and Rate Adaptation Unit, TRAU ) qui se charge de la compression/décompression de la voix.

Le contrôleur de station de base (BSC - Base Station Controler) : gère une ou plusieurs stations de base. Il est considéré comme un concentrateur puisqu’il véhicule les communications provenant des différentes stations de base. Dans l’autre sens, le contrôleur commute les données en les dirigeants vers la bonne station de base. Il remplit à la fois le rôle de relais pour les différents signaux d’alarme destinés au centre d’exploitation et de maintenance et de banque de données de toutes données installées sur les stations de base .

Le centre de commutation mobile MSC – Mobil Switch Center : est l’élément central du NSS. Il assure la commutation entre les abonnées du réseau mobile et ceux du réseau commuté public (RTC). Il permet également de mettre à jour les bases de données VLR et HLR qui donnent toutes les informations concernant les abonnées et leur localisation dans le réseau. Les MSC servant de passerelle (GMSC – Gateway Mobile Switching Center) sont placés en périphérie du réseau d’un opérateur pour assurer une interopérabilité entre réseau.

HLR – Home Location Register Il s’agit d’une base de données contenant les informations sur les abonnées appartenant à la région desservie par le commutateur de service mobile MSC. Le HLR contient des informations essentielles pour les services de téléphonie mobile tel que : Toutes les informations relatives aux abonnés, le type d’abonnement, la clé d’authentification Ki, les services souscrits, le numéro de l’abonné. - Un certain nombre de données dynamiques tel que la position de l’abonné dans le réseau et l’état du terminal (allumé, libre, éteint,…) VLR – Visitor Location Register Cette base de données ne contient que les informations dynamiques et est liée à un MSC. Donc, il y en a plusieurs dans un réseau GSM. Il contient temporairement les informations sur les abonnés qui visitent une région desservie par un MSC, autre que celui auquel ils sont abonnés. Ces informations proviennent du HLR auquel l’abonné est enregistré. Lorsque celui-ci quitte cette zone de couverture, ses données sont transmises à un autre VLR ; les données suivent l’abonné en quelque sorte.

AUC – Authentification Center  C’est une base de données associé à un HLR, elle contient une copie de la clé secrété Ki inscrite sur la carte SIM de chaque abonné, qui sert à l’authentification des abonnés. Grâce à ce mécanisme d’authentification, un VLR peut accueillir un mobile d’un autre réseau EIR – Equipment Identity Register Chaque terminal mobile est identifié par un code IMEI. Le registre EIR contient la liste de tous les terminaux valides. La consultation de ce registre permet de refuser l’accès à un terminal. Un EIR peut contenir trois listes : White List : contient les IMEI des équipements en ordre Black List : contient les IMEI des équipements déclaré volés Gray List : contient les IMEI des équipements présentant certaines défaillances, mais qui n’ont de raison fatal pour les bloquer.

Deuxième Génération et demi (2,5 G) GPRS (General Packet Radio Services) est une technologie orientée paquets. C’est un réseau à datagrammes IP constitué de routeurs IP. Il existe deux types de routeurs IP: ceux qui permettent aux paquets de circuler à l'intérieur d'un même réseau GPRS et ceux qui permettent aux paquets de migrer vers d'autres réseaux de données appelés plus généralement réseaux PDP. L’architecture d’un réseau GPRS est similaire à celle d’un réseau GSM

Le SGSN (Serving GPRS Support Node) est relié aux BSC du sous-système radio (BSS) de GSM et gère les MS présentes dans une zone donnée. Son rôle est de délivrer des paquets aux MS issus du PLMN. Le GGSN (Gateway GPRS Support Node) sert de passerelle entre les SGSN du réseau GPRS et les autres réseaux de données.

Troisième Génération (3 G) L’UMTS repose sur la technique d’accès multiple W-CDMA, une technique dite à étalement de spectre, Les fréquences allouées pour l’UMTS sont 1885 – 2025 et 2110 – 2200 Mhz. L’UMTS permet théoriquement des débits de transfert de 1920 Mbits/s

Grâce à sa vitesse accrue de transmission de données, l’UMTS ouvre la porte à des applications et services nouveaux. L’UMTS permet en particulier de transférer dans des temps relativement courts des contenus multimédia tels que les images, les sons et la vidéo. Les nouveaux services concernent surtout l’aspect vidéo : Visiophonie, MMS vidéo, Vidéo à la demande, Télévision.

Les propriétés générales de la 3G  : Couverture totale et mobilité complète jusqu’à 144 Kbps voire 384 Kbps. Couverture plus limitée et mobilité jusqu’à 2 Mbps. Grande flexibilité pour introduire des nouveaux services. Pour qu’un réseau soit dit 3G, il doit satisfaire certaines d’exigences : Compatibilité ascendante avec les générations précédentes Support d’application multimédia Meilleur service de transmission de la parole que la 2G et la 2.5G

Quatre classes de service ont été définies en fonction de certaines contraintes dont : Le délai de transfert des données : c’est un facteur très important pour les applications interactives comme la téléphonie et la visiophonie. La fidélité de transmission des paquets de données entre la source et la destination. - La tolérance aux erreurs de transmission de données : facteur essentiel pour les applications de transmission de données, en effet, ces applications requièrent que l’information soit fidèlement transmise par le réseau.

La classe A - services conversationnels - Offre tous les services bidirectionnels Une même bande passante en émission et réception Sensible aux applications temps réel - Exemples: jeux interactifs, visiophonie La classe B - services lecture en continue (streaming) Service de vidéo à la demande la diffusion radiophonique et les applications de transfert d’images La classe C - services interactifs - Dialogue interactif avec un serveur - Pas de performance en temps réel - Exemples: navigation internet, transfert de fichier, E- commerce La classe D - service en arrière plans (background) - Même services que la classe c - Priorité inferieur - Exemples: transfert de fax, notification de sms

Architecture du réseau UMTS Le réseau UMTS a comme objectif la réalisation d’une couverture à l’échelle planétaire. Il est composé d’un réseau cœur compatible à celui du GSM et d’un réseau terrestre d’accès radio UTRAN (Universal Terrestrial Radio Acces Network),

Le réseau UMTS est composé des éléments suivants : le réseau terrestre d’accès radio UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) les terminaux mobiles ; le réseau cœur (Core Network - CN) dérivé de celui du réseau GSM, et assurant les connexions internes, le réseau intelligent (Intelligent Network - IN) qui a pour rôle d’assurer les fonctions de localisation, d’enregistrement, de gestion de ressources, de mobilité, …etc.) L’équipement mobile (ME – Mobile Equipment) C’est le terminal radio utilisé pour les communications radio sur l’interface Uu. Il contient la carte USIM (Universal Subscriber Identity Module) qui conditionne l’accès au service d’un réseau UMTS. Cette dernière contient toutes les informations relatives à un abonné.

Le réseau d’accès UTRAN - Universal Terrestrial Radio Access Network C’est le réseau qui est en charge du contrôle et de la gestion des ressources radios, il permet l’échange d’informations entre le terminal mobile et le réseau cœur. L’UTRAN est composé du RNC (Radio Network Controller) et de Nœud B correspondant respectivement aux BSC et BTS du réseau GSM. Ces deux entités forment le RNS (Radio Network Subsystem). Le nœud B dit aussi station de base, assure la communication radio entre les équipements usagers et l’UTRAN. Il gère une ou plusieurs cellules, s’occupe de l’entrelacement, du codage et décodage canal pour la correction des erreurs, l’adaptation du débit, le contrôle de puissance, …etc. Le RNC (Radio Network Controller) gère les ressources radios de la zone dont il a le contrôle, autrement dit, les ressources de la zone de couverture de tous les nœuds B auxquels il est rattaché. C’est le point d’accès pour tous les services fournis par l’UMTS.

Le réseau cœur Les éléments du réseau cœur de l’UMTS sont les mêmes que ceux du réseau GSM. Le réseau cœur se décompose, néanmoins, en deux domaines de services qui peuvent être géré simultanément : le domaine paquet PS et le domaine circuit CS. Le domaine circuit (CS- Circuit Switched) : permet de gérer les services temps réel correspondant aux conversations téléphoniques, jeux vidéo, et aux applications multimédias. Ces applications nécessitent un temps de transfert très court, le débit supporté est de 384 Kb/s. le CS comprend les éléments suivants : MSC, GMSC, VLR. Le domaine paquet (PS – Paquet Switched) : gère les services non temps réel correspondant à la navigation sur internet, jeux en réseau,…etc. ces applications sont moins sensibles aux temps de transfert. Le PS comprend le SGSN (Serving GPRS Support Node) et GGSN (Gateway GPRS Node).

L’interface radio de l’UMTS Elle utilise la technologie UTRA (UMTS Terestreal Radio Access), définit deux modes opératoires : FDD (Frequency Division Duplex), TDD (Time Division Duplex). Ces modes définissent des liens bidirectionnels entre la station de base et l’équipement mobile, permettant l’émission et la réception simultanée des données. UTRA-FDD: est utilisé dans les cellules ayant une large surface nécessitant une grande puissance de transmission. Il utilise deux porteuses : une pour la liaison montante (uplink), et l’autre pour la liaison descendante (downlink). Ces fréquences sont décomposées en bandes de fréquences, qui sont modulées pour constituer des canaux

UTRA-TDD : est utilisé dans les cellules de petites surfaces UTRA-TDD : est utilisé dans les cellules de petites surfaces. Il utilise une plage de fréquences entre 1900 Mhz et 2025 Mhz, elle est répartie en un ensemble de bandes de fréquences modulées par une technique d’étalement de spectre pour constituer 120 canaux. le sens montant et descendant est utilisé en multiplexe temporel, c'est-à-dire la même porteuse est utilisée pour les deux. Ce qui impose au terminale mobile et la station de base d’être synchronisé sur une même base de temps. Ce qui rend ce mode inadapté pour les transmissions longues distances.

Demande d'inscription dans le PLMN sélectionné La gestion des appels dans le réseau UMTS La gestion des appels peut se résumée en trois phases principales : la mise sous tension, l’établissement de la communication et la mise hors tension. La mise sous tension Dés sa mise sous tension (allumage), le mobile effectue certaines opérations lui permettant d’envoyer ou recevoir des appels du réseau. Ces opérations sont regroupées en trois processus dans le mobile Sélection du PLMN (Public Land Mobile Network) Sélection d’une cellule candidate Inscription au réseau Indication de service à l’usager PLMN sélectionné Demande d'inscription dans le PLMN sélectionné Sélection de PLMN Sélection de Cellule Inscription Liste des PLMN Accessibles Résultat De l'inscription

Quatrième Génération (4G) La quatrième génération de réseaux mobiles fait appel aux techniques dites ITS (Intelligent Transportation Systems), qui permettent d’associer différentes technologies en un même ensemble. A l’intérieur des bâtiments, ce sont principalement les systèmes sans fil de type WPAN (Wireless Personal Area Network) ou WLAN (Wireless Local Area Network) qui sont utilisés par le terminal pour se connecter vers l’extérieur. Dans les environnements moins fortement urbanisés, les techniques GPRS ou UMTS peuvent prendre le relais, tandis que dans les milieux peu peuplés, le satellite se substitue aux autres techniques pour maintenir la connexion avec les réseaux d’opérateurs.

Perspectives La cinquième génération est évidemment plus lointaine, mais plusieurs solutions sont déjà envisagées. La plupart d’entre elles exploitent des satellites géostationnaires, des ballons stratosphériques à haute altitude ou des avions de type AWACS à basse altitude. Le nom le plus souvent associé pour cette génération est HAPS (High Altitude Stratospheric Platform).