Réseaux Cellulaires

1. Houda KHEDHER
Réseaux cellulaires : principes et
normes
Copies des transparents du cours
ESPRIT
Année : 2012 / 2013

2. Houda KHEDHER 2
De quoi allons nous parler ?
• Historique et panorama des réseaux mobiles
• Propagation en environnement radio-mobile
• Accès au canal radio
• Signalisation
• Le système GSM
• Gestion de la mobilité réseau
• Gestion de la mobilité radio dans les réseaux
de générations 2, 2.5 et 3
• Introduction au système GPRS
• Introduction au système UMTS

3. Houda KHEDHER
Panorama des réseaux mobiles
Historique : Évolution des communications mobiles
Typologie des réseaux mobiles

4. Houda KHEDHER 4
Historique (1)
• 1678: Travaux de Huygens sur les phénomènes de réflexion et de réfraction de
la lumière
• 1818: Fresnel démontre la nature ondulatoire de la lumière
• 1831 : Michael Faraday (induction électro-magnétique)
• 1867 : James Clerk Maxwell (équations électricité-magnétisme)
• 1876: Invention du téléphone par Graham Bell
• 1887: Heinrich Rudolph Hertz (découverte des ondes hertziennes et mise en
évidence de la théorie de Maxwell)
• 1896: Guglielmo Marconi (télégraphe sans fil)
• 1901 : Télégraphie sans fil (point-à-point)
• 1921 : Télégraphie sans fil (point-à-multipoint)

5. Houda KHEDHER 5
Historique (2)
Téléphonie sans-fil
• 1899-1902 : Téléphonie half-duplex (applications militaires)
• 1928 : Téléphonie unidirectionnelle sans-fil
• 1945 : Téléphonie half-duplex (applications civiles)
• 1940-50 : Réseaux mobiles  Systèmes de diffusion (radio et
TV)
 Émetteurs couvrant plusieurs dizaines de kilomètres :
 puissants,
 Placés sur des sites élevés.
 Premiers systèmes semi-cellulaires : pas de mobilité, grandes
zones, faible capacité, …
 Génération « 0 »

6. Houda KHEDHER 6
Historique (3)
Réseaux cellulaires
Concept cellulaire : recouvrement des cellules avec modulation analogique
• Fins des années 1940 (Bell Labs)
• Congestion de fréquences
• 1960-70 : augmentation de la demande
Densification
 Utilisation poussée du concept cellulaire
 Introduction du transfert inter/intracellulaire (Handover)
Réseaux de première génération

7. Houda KHEDHER 7
Historique (4)
Services RNIS radio-mobiles
• 1991 : GSM (téléphonie, données faible débit, SMS, services
supplémentaires, …)
Réseaux de téléphonie mobile numérique : 2G
Emergence des données mobiles : Transmission de données paquet
 CDPD (Cellular Digital Packet Data), GPRS (General Packet Radio
Service), P-PDC : Données paquet sur l’interface radio
Réseaux de génération 2,5 G
Services multimédia : MMS, WAP (Wireless Application Protocol), I-
Mode (WAP à la mode Japonaise), …

8. Houda KHEDHER 8
Historique (5)
Multimédia mobile (3G)
IMT-2000 : Internet + GSM
 Services mobiles multimédia haut débit
 2 Mb/s en indoor, mobilité réduite (10 km/h)
 384 kb/s en outdoor urbain (120 km/h)
 144 kb/s en outdor rural, mobilité importante
 Qualité de service variable (BER : 10 -3 – 10-6, délais : 30-300 ms)
 Transmission asymétrique et à débit variable
 Services multiples par usager
  Parole
  Données
  Vidéo
  Multimédia
L’accès sans fil aux réseaux
4G : Très hauts débits pour l’Internet haut débit, la TV, des réseaux tout-IP

9. Houda KHEDHER 9
Objectifs des réseaux mobiles
• Offrir une large couverture
– Génération 0: une ville
– Génération 1: un pays
– Génération 2: un continent
– Génération 3: le monde
• Offrir un service à de nombreux usagers
• Intégrer de plus en plus de services

10. Houda KHEDHER
Evolution du marché
Source : Ericsson
10

11. Houda KHEDHER 11
Principaux intervenants du secteur des mobiles (1)
Constructeurs (équipementiers)
- Infrastructure réseau
- Infrastructure radio
- Terminaux
Opérateurs
- Publics
- Privés
Régulateur
- Gestion des ressources rares
- Contrôle des obligations des opérateurs,…

12. Houda KHEDHER 12
Principaux intervenants du secteur des mobiles (2)
Fournisseurs de services
Distributeurs ou Sociétés de Commercialisation de Services
- Subvention des terminaux
- Lignes, cartes de recharge
Installateurs
- Déploiement d’équipements
- Maintenance
Législateur

13. Houda KHEDHER
Typologie des réseaux radio-mobiles

14. Houda KHEDHER 14
Classification des systèmes radio-mobiles
• Systèmes cellulaires (cellular systems)
– GSM, UMTS, IS-95
• Téléphones sans cordon (cordless phones)
– CT-2, DECT (Europe), PHS (Japon)
• Systèmes de radiocommunications
professionnelles (PMR : private mobile radio)
• Radiomessagerie unilatérale (paging systems)
• Systèmes par satellites (satellite systems)
• Systèmes réservés à la transmission de données
(mobile data systems)

15. Houda KHEDHER 15
Les systèmes radio-mobiles

16. Houda KHEDHER
Générations et normes de réseaux mobiles

17. Houda KHEDHER 17
Réseaux de mobiles et cellulaires
• Qu’est ce qu’un réseau de mobiles?
Ensemble des équipements terminaux mobiles qui utilisent
la voie hertzienne pour communiquer
• Qu’est ce qu’un réseau cellulaire?
Réseau constitué de cellules, ou zones géographiques, dont
tous les points peuvent être atteints à partir d’une même
antenne

18. Houda KHEDHER 18

19. Houda KHEDHER
Architecture générale d’un réseau
radio-mobile
19

20. Houda KHEDHER
Architecture générale d’un réseau GSM

21. Houda KHEDHER 21
Éléments d’un système de
communications radio (1)



Sous-système réseau
Sous-système radio
Sous-système de contrôle
RTCP



Terminaux
fixes
Terminaux
mobiles

22. Houda KHEDHER
Éléments d’un système de
communications radio (2)
• Sous-système radio (BSS, Base-Station SubSystem) : c’est le
réseau d’accès radio qui assure l’émission et la réception des
appels et gère la ressource radio.
• Sous-système réseau (NSS, Network Subsystem): comprend
l’ensemble des fonctions nécessaires à l’établissement des
appels et à la gestion de la mobilité, routage des appels,
stockage et mise à jour des données des abonnés, connecté au
RTCP par des commutateurs passerelle
• Sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS,
Operation subsystem): supervision et contrôle des sous-
systèmes radio et réseau. Centralise la commande de
l’opérateur

23. Houda KHEDHER
Systèmes cellulaires

24. Houda KHEDHER 24
Systèmes cellulaires (1)
BSMS
 

Architecture cellulaire

25. Houda KHEDHER 25
Systèmes cellulaires (2)

26. Houda KHEDHER 26
Systèmes cellulaires (3)
Spécificités des systèmes cellulaires
Gestion de la mobilité des abonnés
Gestion de l’interface radio

27. Houda KHEDHER 27
Évolution des générations de réseaux
cellulaires (1)
1980 1990 2000 2010 2020
Fonctionnalités
4G
1G
2G 3G
Téléphonie mobile
Technologie cellulaire analogique
Cellules macro
Voix, messagerie et services de données
PCS et cellulaire numérique
Macro, mini, micro et pico cellules
Services de données haut débit
Services multimédia bande étroite et large bande
Global, macro, micro et pico cellules
Spectre plus large
Très hauts débits
Multimédia

28. Houda KHEDHER 28
Évolution des générations de réseaux
cellulaires (2)
Analogique
AMPS, NMT, NTT
1G
Numérique
GSM, PDC, IS-95, …
2G
Données < 300b/s 9,6-64 kb/s (paquet)
Numérique haut débit
IMT 2000
3G
4G
64-384 kb/s (outdoor)
2 Mb/s (indoor)
2 Mb/s (best effort/indoor)

29. Houda KHEDHER 29

30. Houda KHEDHER 30

31. Houda KHEDHER 31

32. Houda KHEDHER 32

33. Houda KHEDHER 33

34. Houda KHEDHER 34

35. Houda KHEDHER 35

36. Houda KHEDHER 36
Concept cellulaire (1)
Problème de base = comment :
 Desservir une région de taille importante (pays,
continent),
 Avec une largeur de bande limitée,
 Avec une densité d’usagers importante ou qui
peut augmenter ?
Concept cellulaire

37. Houda KHEDHER 37
Concept cellulaire (2)
• Pourquoi le recours au concept cellulaire?
– Pénurie des ressources radio
Nombre de canaux limité
– Les premiers réseaux mobiles se composent de quelques
émetteurs qui couvrent des zones importantes et non
interconnectées
Communications interrompues
– Déploiement à l’échelle d’un pays ou d’un continent d’un
système à grande capacité
 Concept cellulaire
• Principales fonctions d’un système cellulaire
– Traitement d’appel
– Gestion de la localisation
– Maintien de la communication en cours de déplacement
– Authentification et sécurité des informations transmises

38. Houda KHEDHER 38
Concept cellulaire (3)
• Principe d’un système cellulaire
– Chaque opérateur dispose:
• d’une zone à couvrir
Zone découpée en petits territoires appelés cellules
1 cellule  plusieurs canaux de la bande
Une cellule est desservie par une station de base (BS ou
Base Station) qui fait l’interface entre le réseau filaire et
l’abonné mobile
• d’une bande de fréquences duplex
1 bande = plusieurs canaux duplex
1 canal = 1 communication unique

39. Houda KHEDHER 39

40. Houda KHEDHER 40
Intérêt du concept cellulaire
R
F
Zone A
Cluster
r
f1
f2
f3
f4f5
f6
f7
Zone A
 1er cas : R = 10 Km avec N = 7 fréquences
 7 communications simultanées
 2ème cas : r = 500m
 (R2/r2) = 400 communications

41. Houda KHEDHER 41
Réutilisation de fréquences
Concept cellulaire
 Changement dynamique de fréquence pour un mobile pendant une
communication en fonction de ses déplacements dans le réseau 
Handover (transfert intra/inter cellulaire)
 Réutilisation de fréquences (sans créer d’interférences) dans des cellules
suffisamment éloignées l’une de l’autre
Mécanisme de réutilisation des fréquences :
 Repose sur la propriété d’atténuation des signaux avec la distance
 Cellules utilisant la même fréquence (= Co-cellules)
 augmenter le nombre de communications simultanées dans le réseau
 fournir potentiellement une capacité illimitée avec des bandes de
fréquences peu importantes

42. Houda KHEDHER 42
Distance de réutilisation
D
R

43. Houda KHEDHER 43
Notion de cluster (1)
• Le plus petit groupe de cellules utilisant l'ensemble de la bande
de fréquence du système est appelé motif (ou cluster). Ce
motif est répété sur toute la surface à couvrir
Exemple de motif à 7 cellules
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7 f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7

44. Houda KHEDHER 44
Notion de cluster (2)
Motif hexagonal :
 Placement optimal des stations de base, permet un recouvrement
régulier,
 Hexagone régulier : figure géométrique permettant un pavage
facile, le plus proche de la forme circulaire (forme idéale)
 Représentation circulaire peu pratique : un pavage en disques
fait apparaître des zones de recouvrement ou de trous de
couverture
 Motif hexagonal  nombre plus faible de cellules et
donc moins de sites (un système basé sur des cellules
hexagonales coûte moins cher qu’un système basé sur des
cellules triangulaires ou carrées)

45. Houda KHEDHER 45
Exemples de motifs à 3, 4 et 7 cellules
 Problème : interférence co-canal

46. Houda KHEDHER 46
Nombre de cellules par Cluster (1)

47. Houda KHEDHER 47
Nombre de cellules par Cluster (2)
• N = i2 + ij + j2 avec i et j entiers naturels positifs ou nuls
• Les clusters peuvent être constitués de 1, 3, 4, 9, 12, 13, 16,
19, 21…cellules
• Pour les réseaux analogiques : Motif 7/21 un bloc de 7 sites
incluant 3 cellules par site
• Pour le cas des réseaux numériques tel que le GSM le motif
4/12 est utilisé.
1 2 3 4
1 3 7 13 21
2 7 12 19 28
3 13 19 27 37
4 21 28 37 48

48. Houda KHEDHER 48
Y’2
x’1 x’2
x2
x1y2
y’1
y1
y
x’
x
U

49. Houda KHEDHER 49
Nombre de cellules par Cluster (3)
• Motif 4/12

50. Houda KHEDHER 50
Sectorisation des cellules (1)
• Entretien des BTS : coût élevé
• Réduction du nombre de sites
– antenne directrice couvrant une cellule hexagonale
depuis l’un des coins
– En un coin, 3 BTS couvrant 3 cellules
• Sectorisation 120° ou 60°

51. Houda KHEDHER 51
Sectorisation des cellules (2)
Cellule tri-sectorielle Cellule 6-sectorielle

52. Houda KHEDHER 52
Schéma de sectorisation
• Motif 4/12

53. Houda KHEDHER 53
Combinaisons motifs/secteurs
1
2
3
7
4
5
12
8
6
9
11
10
1
2
3
7
4
5
12
8
6
9
11
10
1
2
3
7
4
5
12
8
6
9
11
10
1
2
3
7
4
5
12
8
6
9
11
10

54. Houda KHEDHER
Systèmes sans cordon

55. Houda KHEDHER 55
Systèmes Sans Cordon ou Cordless
Systems (1)
• Caractéristiques
– Systèmes simples à installer et gérer
– Communications bi-directionnelles
– Qualité de parole très proche de celle des terminaux fixes
• Systèmes de première génération (CT1)
– Un terminal communique avec une base unique raccordée
directement au RTCP
• Systèmes de deuxième génération numériques (CT2,
DECT)
– Accès au réseau téléphonique pour plusieurs terminaux via
une borne publique, borne résidentielle, borne privée
(PABX d’entreprise)

56. Houda KHEDHER 56
Systèmes Sans Cordon ou Cordless
Systems (2)
• Applications
 Résidentielle (borne domestique)
 Professionnelle (PABX sans fil)
 Publique (télépoint)
 Radio dans la boucle locale (WLL)
• Limites
– Faible portée (quelques dizaines à quelques centaines de mètres)
– Faible mobilité des usagers
• Avantages
– Durée d’autonomie importante des terminaux
– Organisation anarchique
– Moins coûteux et moins complexes que les systèmes cellulaires

57. Houda KHEDHER 57
Systèmes sans cordon (3)

RTC



Base de données
des abonnés
Système
de tarification
WLL
Borne domestique
Borne
publique
PABX
d’entreprise
Terminal
Structure d’un système sans cordon

58. Houda KHEDHER 58
Systèmes sans cordon (4)
DECT (Digital European Cordless Telephone)
• Technologie
– Bande de fréquence 1,8Ghz
– Utilisation de slots de type TDMA
– Débit : 552 Kbit/s
– Distance : 300m pour 100mW

59. Houda KHEDHER
Systèmes par satellites

60. Houda KHEDHER 60
Systèmes par Satellites (1)

Centre
de gestion
Station terrienne
Satellite
Voix
données
MS
RTCP

61. Houda KHEDHER 61
Systèmes par Satellites (2)
• Principe :
– Infrastructure au sol (stations terriennes et centres de gestion)
– Satellites
– Équipements embarqués (stations mobiles)
• Services :
– Voix et données
– Localisation
– Messagerie
• Population visée :
– Navires (commerciaux ou de plaisance)
– Avions
– Transport routier
• Systèmes :
– GMPCS
– Inmarsat, Thuraya
– Teledesic, …

62. Houda KHEDHER
Systèmes de Radiocommunications
Professionnelles

63. Houda KHEDHER 63
Systèmes de Radiocommunications
Professionnelles (SRP)
 Systèmes « conventionnels » très simples : allouer une
fréquence par flotte (un ou plusieurs groupes d’usagers)
• Population visée
– Utilisation réservée et dédiée à des groupes fermés
d’utilisateurs (membres d’une entreprise, d’un service, d’une
administration)
• Échanges à caractère opérationnel (information, commande,
accusé de réception)
• Services offerts
– Voix
– Données
– chiffrement

64. Houda KHEDHER 64
Systèmes de Radiocommunications
Professionnelles (SRP)
 Les réseaux radio à ressources partagées (3RP) ou
systèmes trunk
– 5 à 20 canaux duplex gérés par un contrôleur (micro-
ordinateur)
– Un canal n’est alloué à un usager que pour la durée de la
communication
– Les usagers sont identifiés par des numéros
– Plusieurs flottes cohabitent sur le même système
– Canaux de signalisation nécessaires :
• Pour le paging (recherche de mobile)
• Pour la demande de connexion (appel initié par le mobile)

65. Houda KHEDHER 65
Structure générale d’un 3RP


Terminal de supervision
Contrôleur
Relais

66. Houda KHEDHER
Systèmes de radiomessagerie
unilatérale

67. Houda KHEDHER 67
Radiomessagerie Unilatérale (1)
• Principe
– Émetteurs (stations de base terriennes ou satellites)
– Mobiles (pagers) fonctionnant en réception uniquement
– Envoi de messages à travers le RTCP (automatique ou
opératrice)
• Services
– Bip (Quelqu’un cherche à vous joindre)
– Messages numériques, alphanumériques ou vocaux
• Population visée
– Professionnels
– Grand public

68. Houda KHEDHER 68
Radiomessagerie Unilatérale (2)
• Deux catégories de systèmes
– Systèmes publics à couverture étendue (région ou un pays)
• Plusieurs émetteurs de puissance moyenne ou élevée
• Les appels vers les récepteurs sont émis à travers le RTC ou
un réseau de transmission de données
• Appels stockés de quelques secondes à quelques minutes
avant d’être émis de façon groupée
– Systèmes privés (site unique de quelques centaines de mètres à
quelques dizaines de kilomètres de portée)
• Site d’étendue limitée à quelques récepteurs
• Les appels vers les récepteurs sont émis par un opérateur
manuel ou à travers un commutateur privé
• Émission immédiate des messages

69. Houda KHEDHER 69
Radiomessagerie Unilatérale (3)
Sous-système
radio
Sous-système
d’accès
RTC ou X25

Pagers
Émetteur
Cœur du réseau

70. Houda KHEDHER 70
Réseaux de transmission de données
• Deux types de réseaux
 Réseaux locaux sans fil (WLAN : Wireless Local Area Network)
- HIPERLAN
- IEEE 802.11
 Réseaux étendus (Réseaux Radio Réservés aux Données : 3RD)
- MOBITEX
- CDPD (Cellular Digital Packet Data)
- ARDIS (Advanced Radio Data Information Services)
• Principe
- Transmission par paquets
• Applications
- Professionnelles
- Grand public

71. Houda KHEDHER

72. Houda KHEDHER 72
Nombre de cellules par cluster (3)
• Soit un cluster de forme hexagonale
• N : nombre de cellules par cluster
• a : surface de la cellule
• A : surface du cluster
2
2
2
2
2
3
:aonsantréintroduien
donc,
2
3
2
1
30cos
233
cellulesco2entreDistance
2
3
distance,deunité,3si,
2
33
R
D
NU
D
a
A
N
D
D
A
D
aRU
R
a













