Chapitre 1 Introduction Sur Les Réseaux Mobiles [PDF]

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Chapitre 1

Introduction sur les réseaux mobiles

Introduction Un réseau téléphonique public est un réseau de communications électroniques utilisé pour fournir des services téléphoniques au public ; il permet la transmission entre les points de terminaison du réseau, principalement de la parole, mais aussi d'autres formes de communication telles que la transmission de données (vidéo, musique, texte, etc.). Le développement des réseaux mobiles ne s'est pas arrêté depuis leur apparition, plusieurs générations ont vu le jour à partir de la première génération (1G) qui consistait en des transmissions analogiques. Plusieurs générations de réseaux cellulaires se sont succédées, à savoir la 2G (GSM/GPRS/EDGE), qui a marqué le passage de l’analogique au numérique, la 3G (UMTS/HSPA/HSPA+/DC-HSPA+), qui est la première norme qui permet l'échange simultané de la voix et des données avec un débit suffisant pour répondre aux besoins des applications multimédia légères, la 4G (LTE) dont l’intérêt est son très haut débit, bien supérieur à celui de la 3G, et prochainement la 5G qui n’est pas encore mis en œuvre en Algérie. Dans ce chapitre nous allons présenter les différentes générations de réseaux cellulaires, leurs architectures ainsi que d’autres services pouvant être utilisés par chacune de ces générations cellulaires.

1.1 Principe de base d’un réseau mobiles Le principe de fonctionnement du réseau mobile est basé sur un concept cellulaire, c'està dire que la région couverte est divisée en petites zones appelées cellules (généralement considérées de forme hexagonale), et de partager les fréquences radio entre celle-ci. Ainsi, chaque cellule est constituée d'une station de base à laquelle on associe un certain nombre de canaux de fréquences. Ces fréquences ne peuvent pas être utilisées dans des cellules adjacentes afin d'éviter les interférences mais elles seront utilisées par des cellules suffisamment éloignées. Le nombre de communications simultanées que peut écouler une station de base est limité à cause du nombre de porteuses (fréquences) disponibles. L'opérateur utilise des microcellules de quelques centaines de mètres de rayon pour écouler un trafic important par unité de surface dans les zones urbaines, souvent ces zones ont une couverture assurée par des antennes sectorielles de gains élevées (11 dB), par rapport aux antennes (9 dB), tandis que dans

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les zones rurales peu peuplées, les cellules sont de grandes tailles (allant jusqu'à 30 km de diamètre) et elles sont alors appelées « macro-cellules ». [1]

Figure 1.1 : Concept Cellulaire.

1.2 Les différentes générations des réseaux mobiles 1.2.1

La première génération (1G) La première génération de téléphonie mobile (notée 1G) a vu le jour dans les années 80.

Elle est basée sur une transmission analogique avec une modulation de fréquence. Elle est constituée d’appareils relativement volumineux, utilisant une faible bande passante. Cette norme ne permet que la transmission de la parole. La zone de couverture est divisée en cellules de tailles différentes.

1.2.2 La deuxième génération (2G) La deuxième génération (2G) de systèmes cellulaires repose sur une technologie numérique et a été développée à la fin des années 1980. Ces systèmes cellulaires utilisent une technologie numérique pour la liaison ainsi que pour le signal vocal. Ce système apporte une meilleure qualité ainsi qu’une plus grande capacité à moindre coût pour l’utilisateur. La deuxième génération de systèmes cellulaires (2G) utilise essentiellement les standards suivants :

1.2.2.1 Le réseau GSM Le GSM (Global System for Mobile communications), est le standard le plus utilise dans les années 1990 en Europe et supporte aux Etats-Unis. Le réseau radiotéléphonie a pour premier rôle de permettre la transmission de la voix et des données entre des abonnés mobiles et des abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC). Page 4

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GSM 900 : système radio mobile à vocation urbaine et rurale (macro cellule) et utilisant la fréquence des 900MHz avec des sous bandes de largeur 25MHz : (890-915) MHz et (935-960) MHz. [2]



DCS 1800 : exploite la fréquence 1800 Mhz avec des sous bandes de largeurs 75 Mhz, destiné pour les réseaux mobiles spécialement dans les zones urbaines (microcellule). [2]

1.2.2.2 Architecture du GSM Un réseau GSM compte une (ou plusieurs) station(s) de base par cellule. La station mobile choisit la cellule selon la puissance du signal. Une communication en cours peut passer d’une cellule à l’autre permettant ainsi la mobilité des utilisateurs.

Figure 1.2 : Architecture du GSM. a) Le sous-système radio BSS (Base Station Sub-system) C’est un sous-système qui assure les transmissions radioélectriques et gère la ressource radio. Il est constitué de plusieurs entités dont le mobile, la station de base (BTS, Base Transceiver Station) et un contrôleur de station de base (BSC, Base Station Controller). Cet ensemble administre les canaux radio d’un motif du réseau. [1] On distingue dans le BSS : 

Station mobile (MS – Mobile Station) : Page 5

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La station mobile est composée d’une part du terminal mobile, et d’autre part du module d’identité d’abonné (SIM – Subscriber Identity Module). Le terminal mobile est l’appareil utilisé par l’abonné. Chaque terminal mobile est identifié par un code unique IMEI (International Mobile Equipment Identity). Ce code est vérifié à chaque utilisation et permet la détection et l’interdiction de terminaux volés. Le SIM est une carte à puces qui contient dans sa mémoire le code IMSI (International Mobile Subscriber Identity) qui identifie l’abonné de même que les renseignements relatifs à l’abonnement (services auxquels l’abonné a droit). Cette carte peut être utilisée sur plusieurs appareils. Il est à noter que l’usager ne connaît pas son IMSI mais il peut protéger sa carte à puce à l’aide d’un numéro d’identification personnel à 4 chiffres. [3] 

Station de base (BTS - Base Transceiver Station) :

Elle consiste en un ou plusieurs d’émetteurs-récepteurs ainsi que leur(s) antenne(s). Généralement, une BTS est associée à une cellule et est située au centre de celle-ci. La communication entre la station mobile et la station de base est réalisée par l’interface Um, appelée aussi interface air ou lien radio. 

Le contrôleur de station de base (BSC – Base Station Controller) :

Il gère les ressources radio (configuration des canaux, transfert intercellulaire) d’une ou plusieurs stations de base (BTS), en plus d’établir le lien physique entre les BTS et le commutateur de service mobile (MSC - Mobile Switching Center), que nous verrons dans la section suivante. b) Le sous-système réseau NSS (Network Switching Sub-system) : Il joue un rôle essentiel dans un réseau mobile. Alors que le sous-réseau radio gère l'accès radio, les éléments du NSS prennent en charge toutes les fonctions de contrôle et d'analyse d'informations contenues dans des bases de données nécessaires à l'établissement de connexions. Le NSS est constitué de : 

Commutateur de service mobile (MSC - Mobile Switching Center) :

Cet élément peut être considéré comme le cœur d’un système cellulaire puisqu’il fait la gestion des appels et de tout ce qui est lié à l’identité des abonnés, à leur enregistrement et à leur localisation. 

Registre des abonnés locaux (HLR – Home Location Register) :

Il s’agit d’une base de données contenant les informations sur les abonnés appartenant à la région desservie par le commutateur de services mobiles (MSC). Page 6

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Cette base de données contient également la position courante de ses abonnés. 

Registre des abonnés visiteurs (VLR – Visitor Location Register) :

Cette base de données contient temporairement des 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 et indiquent les services auxquels l’abonné a droit. Ce transfert d’informations ne se fait qu’une seule fois et n’est effacé que lorsque l’abonné éteint son appareil ou quitte la région du MSC courant. En procédant ainsi, le VLR n’a pas à interroger le HLR à chaque fois qu’une communication est demandée par ou pour l’abonné visiteur. Il est à noter que le VLR est toujours associé à un MSC. [3] 

Centre d’authenticitfication (AuC – Authentication Center) :

Le Centre d'authentification est une fonction du système qui a pour but de mémoriser pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour chiffrer (crypter) les communications. Le mécanisme d’authentification vérifie la légitimité de la SIM sans transmettre, pour autant, sur le canal radio les informations personnelles de l'abonné. [3] 

Registre d’identification d’équipement (EIR – Equipement Identity Register) :

Comme nous l’avons vu précédemment, chaque terminal mobile est identifié par un code IMEI. Le registre EIR contient la liste de tous les terminaux validés. Une consultation de ce registre permet de refuser l’accès au réseau à un terminal qui a été déclaré perdu ou volé. c)

Le sous-système opération OSS ( Operation Sub-System) :

Ce sous-système est branché aux différents éléments du sous-système réseau de même qu’au contrôleur de station de base (BSC). Par une vue d’ensemble du réseau le OSS contrôle et gère le trafic au niveau du BSS.

1.2.2.3 GPRS (General Packet Radio Service) La norme GPRS est une évolution de la norme GSM. Étant donné qu'il s'agit d'une norme de téléphonie de seconde génération permettant de faire la transition vers la troisième génération 3G, on parle généralement de 2.5G pour classifier la norme GPRS. Le GPRS permet d'étendre l'architecture de la norme GSM, afin d'autoriser le transfert de données par paquets, avec des débits théoriques maximums de l'ordre de 171,2 kbit/s (en pratique jusqu'à 114 kbit/s). Grâce au mode de transfert par paquets, les transmissions de données n'utilisent le réseau que lorsque c'est nécessaire. La norme GPRS permet donc de Page 7

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facturer l'utilisateur au volume échangé plutôt qu'à la durée de connexion, ce qui signifie notamment qu'il peut rester connecté sans surcoût. [4]

1.2.2.4 EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) La norme EDGE est une évolution de la norme GSM, modifiant le type de modulation et permettant ainsi d’augmenter le débit des données. Tout comme la norme GPRS, la norme EDGE est utilisée comme transition vers la troisième génération de téléphonie mobile (3G). On parle ainsi de 2.75G pour désigner la norme EDGE. L’EDGE utilise une modulation différente de la modulation utilisée par GSM (EDGE utilise la modulation 8-PSK), ce qui implique une modification des stations de base et des terminaux mobiles. [4]

1.2.3 La troisième génération (3G) La troisième génération (3G) représente une évolution majeure par rapport à la 2G sur la base de communications « voix ». Ce sont des services mobiles qui profitent de réseaux hauts débits largement supérieurs.

1.2.3.1 Le réseau UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) L’UMTS désigne une nouvelle norme de téléphonie mobile, elle constitue une voie royale pour le développement de produits et de services multimédias. Un point complexe à résoudre était de passer d’un service de téléphonie (à connexion circuit) vers un service DATA (connexion paquets). Les technologies développées autour de cette norme conduisent à une amélioration significative des services et des vitesses de transfert avec des débits supérieurs à 144 Kbps et pouvant aller jusqu’à 2 Mb/s. L’idée était d’ajouter des amplificateurs avant chaque antenne, qui amplifient le signal afin pour que celui-ci puisse être reçu par une autre antenne. Pour cela, il a fallu améliorer les terminaux (Smartphone, Tablette...) afin de permettre un usage plus confortable de la connexion haut débit. [2]

1.2.3.2 Architecture de l’UMTS L’architecture générale du réseau UMTS se compose d’un réseau d’accès et d’un réseau cœur. Le réseau d’accès (UTRAN) regroupe des fonctions permettant de transmettre des informations de l’utilisateur vers le réseau cœur. Le réseau cœur regroupe des fonctions Page 8

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permettant l’acheminement des données d’utilisateur vers la destination correspondante, la gestion d’appel, de la mobilité, de l’authentification, de la sécurité des échanges et de la taxation. Dans le rôle d’acheminement, le réseau cœur se compose de serveurs et de passerelles qui se divisent entre deux domaines principaux : le domaine CS (domaine de commutation de circuits) et le domaine PS (domaine de commutation de paquets).

Figure 1.3 : Architecture du réseau UMTS. a) Les éléments principaux du réseau cœur : Les éléments du réseau cœur de l’UMTS sont les mêmes que ceux du réseau GSM, On peut mentionner d'autres éléments principaux qui sont : 

Le GMSC (Gateway MSC) :

Un commutateur connecté directement aux réseaux externes en mode circuit. Toutes les communications entrantes et sortantes, en mode circuit, passent nécessairement par un GMSC. 

Le SGSN (Serving GPRS Support Node) :

Il possède des fonctionnalités similaires au MSC/VLR mais il est utilisé pour les communications paquets. La partie du réseau gérée par le SGSN est couramment appelée "domaine paquet". 

Le GGSN (Gateway GPRS Support Node) :

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Ils sont très proches de celles du GMSC, mais le GGSN fait partie du domaine paquet et non circuit. Il ne traite donc que des connexions en mode paquet. b) Les éléments principaux du réseau d’accès radio (UTRAN) : 

Le Node B :

Les Nodes B sont au réseau UMTS ce que les BTS sont au réseau GSM. Le rôle principal du Node B est d’assurer les fonctions de réception et de transmission radio pour une ou plusieurs cellules du réseau d’accès de l’UMTS avec un équipement usager. 

Le RNC (Radio Network Controller) :

Le RNC est un contrôleur de Node B, il est encore ici l’équivalent du BSC dans le réseau GSM. Il contrôle et gère les ressources radio en utilisant le protocole RRC (Radio Ressource Control) pour définir les procédures et communications entre mobiles (par l’intermédiaire des nodes B) et le réseau. [5] 

La carte USIM :

La carte USIM assure la sécurité du terminal et la confidentialité des communications, en utilisant des algorithmes de cryptage à clés publiques. La carte USIM est l’équivalent en 3G de la carte SIM en 2G. Il existe actuellement des cartes tri-modes GSM/GPRS/UMTS permettant un accès à ces réseaux. [5]

1.2.3.3 Le réseau de la 3G+ Aussi appelée HSDPA (High-Speed DowlinkPacket Access) propose un débit encore plus important, avec un échange de données théorique de 14,4 Mbps, autrement dit 7,5 fois plus rapide que la 3G. On évoque parfois la 3G++ avec un débit théorique de 21 Mbps, mais cet acronyme reste peu utilisé. En quelques années, des extensions ont été mises au point afin d’améliorer les débits proposés. On observe notamment trois sous-technologies 3G : [6] HSPA (High Speed Packet Access) : parfois appelé génération 3,5G, qui se caractérise par une évolution de l’UMTS pour un débit maximum théorique de 14,4 Mbit/s et pratique d’environ 3,6 Mbit/s). HSPA+ (High Speed Packet Access +) : parfois appelé génération 3,75G, qui se caractérise par un débit maximum théorique de 21Mbit/s et pratique d’environ 5 Mbit/s). DC-HSPA+ (Dual-Cell High Speed Packet Access+) : également appelé génération 3,75G, qui se caractérise par un débit maximum théorique de 42 Mbit/s et pratique de plus de 10 Mbit/s.

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1.2.4 La quatrième génération (4G) La quatrième génération permet l'utilisation d'applications mobiles et l'accès à Internet à très haut débit. Autrement dit, par rapport à la génération précédente, les échanges de données sont plus rapides.

1.2.4.1 Le réseau LTE LTE (Long Term Evolution) est la norme de communication mobile la plus récente qui est proposée par l’organisme 3GPP dans le contexte de la 4G. Cette technologie est composée de deux parties : le réseau d’accès E-UTRAN (Evolved Evolved Universal Terrestrial Radio Acces Network), et le réseau cœur appelé EPC (Evolved Packet Core). Elle propose des débits élevés pour le trafic temps-réel, avec une large portée. Théoriquement, le LTE peut atteindre un débit de 50 Mb/s en lien montant et 100Mb/s en lien descendant. Le LTE propose plusieurs bandes de fréquences allant de 1.25 jusqu’à 20 MHz. Cela lui permettra de couvrir de grandes surfaces. [7]

1.2.4.2 Architecture du LTE À la différence des autres générations 2G/3G, la LTE est une technologie qui se caractérise par une architecture simple.

UE

Figure 1.4 : Architecture du LTE.

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a) Partie radio (E-UTRAN) : E-UTRAN est l’évolution de UTRAN dans le réseau UMTS. Il ne contient que des stations de base radio appelées E-NodeB (Evolved NodeB). Il permet d'assurer la communication entre EPC et l’équipement mobile de l’abonnée (UE) et il est le responsable de la gestion de ressource radio, de la sécurité et de la connectivité vers le réseau cœur évolué. 

UE (User Equipement) :

C’est le terminal d’un utilisateur qui peut être un téléphone mobile, un smartphone ou un ordinateur portable. Il dispose d’un identifiant IMEI (International Mobile Equipement Identity) qui identifie les abonnés d’une manière unique et qui fonctionne avec une carte USIM (Universal Subscriber Identity Mobile). L’UE utilise une liaison radio pour se connecter à la station de base e-NodeB. [8] 

e-NodeB:

L’eNodeB est l’équivalent de la BTS dans le réseau GSM et du NodeB dans l’UMTS. La fonctionnalité de handover est plus robuste dans le LTE. Ce sont des antennes qui relient les UE avec le réseau cœur du réseau LTE via les RF air interface. Ils fournissent la fonctionnalité du contrôleur radio qui réside dans l’eNodeB, le résultat étant plus efficace, et le réseau moins latent. Par exemple, la mobilité est déterminée par l’eNodeB à la place de BSC ou RNC. [8] b) Partie coeur EPC : Evolved Packet Core: Le cœur de réseau appelé EPC (Evolved Packet Core) utilise des technologies ≪ full IP ≫, c'est-à dire basées sur les protocoles Internet pour la signalisation, ce permet des temps de latence réduits pour le transport de la voix et des données. Ce cœur de réseau permet l’interconnexion via des routeurs avec les autres eNodeB distants, les réseaux des autres opérateurs mobiles, les réseaux de téléphonie fixe et le réseau Internet. L’EPC permet d’assurer la gestion des utilisateurs, la mobilité, la qualité de service (QoS) et la sécurité. Il est constitué de plusieurs équipements qui fonctionnent ensemble dont nous allons détailler chaque élément. [8] 

MME : Mobility Management Entity :

Cette partie est responsable de la localisation et du suivi du terminal mobile (UE) entre les appels et la sélection d’une bonne S-GW (Serving-GetWay) à travers une connexion. Comme elle réalise le dernier point de la protection par codage, il s’agit par conséquent du point qui valide l’interception de signalisation. Ainsi, elle contrôle le signal entre l'UE (User Equipment) et le réseau cœur, et assure l’établissement, la maintenance, et l’élargissement de Page 12

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la porteuse radio-services. [8] 

HSS : Home Suscriber Service :

Base de données similaire au HLR en GSM, réseau cœur qui contient les informations du suscriber-related (les abonnés voisins. Elle est principalement désignée à l’authentification, l’autorisation, la sécurité, le débit et fournit une localisation détaillée à l'utilisateur. 

PCRF : Policy and Charging Rules Function :

Elle est responsable de la prise de décision principale du contrôle. Elle fournit une QoS d'autorisation pour décider le traitement des données en respectant l’abonnement des utilisateurs. 

S-GW : Serving Gateway :

Il joue le rôle d’une passerelle lors du Handover inter-domaines et inter-réseaux, et ainsi responsable du routage des paquets. 

P-GW : Packet-Switch GetWay :

P-GW sert de passerelle vers le réseau Internet, a aussi pour rôle d’attribuer les adresses IP aux terminaux LTE.

1.3 Evolution des réseaux mobiles Le tableau 1.1 récapitule l’évolution des réseaux mobiles : [4]

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Introduction sur les réseaux mobiles Tableau 1.1 : Différentes technologies de téléphonie mobile.

Génération

Acronyme

1G

RC2000

Description

Débit Théorique (download)

et Analogique

NMT GSM

2G

Échanges type

de 9,05 Kbits/s voix

uniquement GPRS

2.5G

Échange

de 171,2 Kbits/s

données seulement EDGE

2.75G

Évolution

du 384 Kbits/s

GPRS UMTS

3G

Voix données

2.5 Ou 3G+

HSPA

Évolution

et 144 Kbits/s rurale, 384 Kbits/s urbaine, 2 Mbits/s point fixe

de 14,4 Mbits/s

l'UMTS 3.75G ou 3G++ HSPA+

Évolution

ou H+

l'UMTS

3.75G

ou

H+ DC-HSPA+

de 42 Mbits/s

l'UMTS

Dual Carrier 4G (3.9G)

Évolution

de 21 Mbits/s

LTE

Données

300 Mbits/s, 150 Mbits/s, 100 Mbits/s

4.5G

LTE Advanced

Évolution de la 1 Gbit/s à l’arrêt, 100 Mbits/s en LTE

mouvement

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Conclusion Dans ce chapitre introductif, nous avons présenté les différentes générations des réseaux mobiles, donné une vue globale sur l’évolution des réseaux cellulaires qu’ils soient filaires ou hertziens. Nous avons vu que nous sommes passés de la première génération analogique suivie de la deuxième génération GSM ainsi que son architecture et ses deux évolutions puis la troisième génération UMTS ainsi que ses trois évolutions, pour finir avec le réseau 4G, ses caractéristiques et sa technologie LTE qui répond à des nouveaux besoins. Une bonne connaissance des architectures permet aux planificateurs de faciliter l'évolution du réseau en intégrant des technologies plus performantes, qui leur permettent de fournir en parallèle des services de bonne qualité.

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