TD N°3 (Correction) PDF [PDF]

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TD N°3 Module : Réseaux de Transport Numérique et Réseaux Sans Fils Chapitre 3

1

Exercice d’application 1) Notion de décibels Utilisé dans tous les domaines de la physique, le décibel est une unité logarithmique qui exprime le rapport d’une grandeur (A) par rapport à une autre grandeur de même nature prise comme référence (B). La relation est de la forme : (A/B)dB = 10 log10 (A/B) Compte tenu de cette définition, quel est le rapport en vraie grandeur des rapports A/B exprimés en dB ?

Valeur en décibel

Rapport en nombre naturel

3 dB 10 dB 100 dB 103 dB 77 dB 2

Exercice d’application (Correction) 1) Notion de décibels (A/B)dB = 10 log10 (A/B) Remarquons que si A = 2B, on a le rapport (A/B)dB = 10 log10 (2/1) = 10 × 0,3 = 3 dB.

3 dB est une valeur caractéristique qui représente un rapport de moitié (–3 dB) ou du double (3 dB) des grandeurs comparées.

Valeur en décibel

Rapport en nombre naturel

3 dB

2

10 dB

log (A/B) = 1 ⇒ A/B = 101 soit 10 Le logarithme d’un nombre est le nombre par lequel il faut élever la base pour retrouver ce nombre

100 dB

log (A/B) = 10 ⇒ A/B = 1010

103 dB

À chaque fois que l’on ajoute 3 dB (100+3), on double le rapport. Soit : 2 · 1010

77 dB

77 dB = 80 – 3 ⇒ A/B = 108 / 2 3

Exercice d’application 2) Conversion de l’expression d’une puissance

Un poste téléphonique émet avec un niveau de puissance de 2 dBm. Quelle est la puissance émise en mW ?

4

Exercice d’application (Correction) 2) Conversion de l’expression d’une puissance

La puissance exprimée en dBm est donnée par la relation : (P)dBm = 10 log10 (P2/P1) avec P1 puissance de référence et valant un mW Soit :

2 = 10 log10 (P2) 0,2 = log10 (P2) ce qui donne P2 = 1,58 mW

5

Exercice d’application

3) Effet Doppler La téléphonie mobile utilise une porteuse dans la bande des 1 800 MHz. En supposant que le mobile se déplace dans l’axe du faisceau radio, quelle est l’influence de l’effet Doppler sur la fréquence

reçue, et quelle sera la déformation de la voix supposée à 10 kHz dans les deux cas suivants : 1. le mobile est embarqué dans une voiture roulant à 100 km/h ; 2. le mobile est embarqué dans un TGV roulant à 320 km/h.

6

Exercice d’application (Correction) 3) Effet Doppler 1)

Déplacement en voiture à 100 Km/h

▪ Effet sur la porteuse ∆𝑭 =

𝒗 𝒇𝟎 𝒄 𝐜𝐨 𝐬

𝜶 = 𝟏𝟖𝟎𝟎 ∙ 𝟏𝟎

𝟔

𝟏𝟎𝟓 𝟑𝟔𝟎𝟎×𝟑∙𝟏𝟎𝟖

= 𝟏𝟔𝟔 𝑯𝒛

𝟏𝟎𝟓

▪ Effet sur la voix ∆𝑭 = 𝟏𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟑 𝟑𝟔𝟎𝟎×𝟑∙𝟏𝟎𝟖 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟗 𝑯𝒛 2)

Déplacement en TGV à 320 Km/h

▪ Effet sur la porteuse ∆𝑭 = 𝟏𝟖𝟎𝟎 ∙ ▪ Effet sur la voix ∆𝑭 = 𝟏𝟎 ∙ 𝟏𝟎

𝟑

𝟏𝟎𝟔

𝟑.𝟐 ∙ 𝟏𝟎𝟓 𝟑𝟔𝟎𝟎×𝟑∙𝟏𝟎𝟖

𝟑.𝟐 ∙𝟏𝟎𝟓 𝟑𝟔𝟎𝟎×𝟑∙𝟏𝟎𝟖

= 𝟓𝟑𝟑. 𝟑𝟑 𝑯𝒛

= 𝟎. 𝟎𝟎𝟐𝟗𝟔 𝑯𝒛

Dans les deux cas l’effet sur la voix est insignifiant. Cependant la dérive de fréquence de la porteuse est plus sensible. 7

Exercice 1 Propriétés générales du réseau GSM : Vrai

Faux

a) La modulation GMSK du téléphone GSM est une modulation FM b) Les cellules sont toutes hexagonales c) Une station de base peut couvrir toutes les cellules d’une ville

d) L’opérateur peut, s’il le souhaite, savoir dans quelle cellule se trouve l’usager e) L’émission de la station de base est continue et à puissance constante

8

Solution 1 Vrai a) La modulation GMSK du téléphone GSM est une modulation FM

Faux

X

b) Les cellules sont toutes hexagonales

X

c) Une station de base peut couvrir toutes les cellules d’une ville

X

d) L’opérateur peut, s’il le souhaite, savoir dans quelle cellule se trouve l’usager

X

e) L’émission de la station de base est continue et à puissance constante

X

Commentaires

b) les cellules n’ont pas de forme précise et se recouvrent partiellement. Leur forme est liée à la portée du signal émis par la base. c) Chaque cellule a obligatoirement sa station de base d) ce n’est pas une option, l’opérateur doit obligatoirement savoir dans quelle cellule se trouve l’usager. 9

Exercice 2 La bande GSM900 normale est divisée en 125 canaux numérotés de n=0 à n=124. La fréquence de réception du mobile (et d’émission de la base) est donnée par : fRX = 935 + 0,2 x n pour 0 ≤ n ≤ 124 Vrai

Faux

a) Chaque station de base dispose de 125 fréquences à affecter aux conversations b) Un canal est occupé en permanence par la voie balise c) Une base équipée pour 10 fréquences peut gérer 10 conversations simultanées

d) Une base équipée pour 10 fréquences peut gérer 80 conversations simultanées e) Une base équipée pour 10 fréquences peut gérer 72 conversations simultanées f) Une transmission dans le canal 60 correspond à fRX = 947 MHz et fTX = 902 MHz

10

Solution 2 La bande GSM900 normale est divisée en 125 canaux numérotés de n=0 à n=124. Vrai a) Chaque station de base dispose de 125 fréquences à affecter aux conversations b) Un canal est occupé en permanence par la voie balise

Faux X

X

c) Une base équipée pour 10 fréquences peut gérer 10 conversations simultanées

X

d) Une base équipée pour 10 fréquences peut gérer 80 conversations simultanées

X

e) Une base équipée pour 10 fréquences peut gérer 72 conversations simultanées

X

f) Une transmission dans le canal 60 correspond à fRX = 947 MHz et fTX = 902 MHz

X

Commentaires a) les 125 fréquences sont à répartir entre la cellule et au moins 6 cellules voisines. Comme les cellules se recouvrent partiellement, il est impossible d’utiliser la même fréquence dans é cellules qui se touchent. c) d) une fréquence est réservée à la voie balise, il reste donc 9 fréquences à 8 time-slots, soit 72 conversations simultanées possibles 11

Exercice 3 Lorsque le mobile M est raccordé à la base A, en conversation ou non :

Vrai

Faux

a) Il surveille le niveau du signal de la base A pour détecter une éventuelle panne b) Il mesure le niveau reçu de la base A et des bases des cellules voisines c) S’il reçoit mieux une autre base B, il se raccorde à cette nouvelle base B d) S’il reçoit mieux une autre base B, il en informe la base A qui le transfère sur B

12

Solution 3 Lorsque le mobile M est raccordé à la base A, en conversation ou non : Vrai a) Il surveille le niveau du signal de la base A pour détecter une éventuelle panne b) Il mesure le niveau reçu de la base A et des bases des cellules voisines

X X

c) S’il reçoit mieux une autre base B, il se raccorde à cette nouvelle base B

d) S’il reçoit mieux une autre base B, il en informe la base A qui le transfère sur B

Faux

X

X

Commentaires a) M mesure le niveau du signal de la base A pour détecter un éventuel changement de cellule c) ce n’est pas le mobile qui décide du changement de station de base, mais la base A.

13

Exercice 4 Lorsque le mobile M est en conversation avec la base B : Vrai

Faux

a) La base affecte au mobile M une fréquence pour la conversation

b) Une fois démarrée, la liaison radio se fait directement de mobile à mobile c) B mesure la qualité du signal reçu de M et règle la puissance de M d) B mesure la qualité du signal reçu de M et règle la puissance d’émission de B e) M mesure la qualité du signal reçu de B et règle la puissance de B

f) M mesure la qualité du signal reçu de B et en informe B qui règle sa puissance

14

Solution 4 Lorsque le mobile M est en conversation avec la base B : Vrai a) La base affecte au mobile M une fréquence pour la conversation

X X

b) Une fois démarrée, la liaison radio se fait directement de mobile à mobile c) B mesure la qualité du signal reçu de M et règle la puissance de M

Faux

X

d) B mesure la qualité du signal reçu de M et règle la puissance d’émission de B

X

e) M mesure la qualité du signal reçu de B et règle la puissance de B

X

f) M mesure la qualité du signal reçu de B et en informe B qui règle sa puissance

X

Commentaires b) la communication se fait toujours entre mobile et base, jamais de mobile à mobile d) la base ajuste la puissance du mobile pour bien le recevoir e) le mobile ne peut pas agir sur la puissance d’émission de la base, et c’est le soft de la base qui décide d’ajuster la puissance d’émission 15

Exercice 5 L’enregistrement ci-dessous montre les salves émises par un mobile lors de l’établissement d’une communication téléphonique :

Vrai

Faux

a) Les échanges de signaux de contrôle se font à puissance élevée b)Les émissions liées à la conversation se font toujours à puissance faible c) La puissance d’émission pour la conversation est ajustée par la base toutes les 30 mn d) Le spectre ci-dessus est un spectre de raies e) On peut voir sur l’enregistrement les phases de parole et d’écoute de l’utilisateur 16

Solution 5 L’enregistrement ci-dessous montre les salves émises par un mobile lors de l’établissement d’une communication téléphonique :

Vrai a) Les échanges de signaux de contrôle se font à puissance élevée

Faux

X

b) Les émissions liées à la conversation se font toujours à puissance faible

X

c) La puissance d’émission pour la conversation est ajustée par la base toutes les 30 mn

X

d) Le spectre ci-dessus est un spectre de raies

X

e) On peut voir sur l’enregistrement les phases de parole et d’écoute de l’utilisateur

X

Commentaires b) la puissance est ajustée pour une bonne réception par la base, et peut atteindre la puissance max de 2 Watts c) le temps de réponse de l’ajustement de puissance est de l’ordre de 5 s d) ce n’est pas un spectre, mais un oscillogramme. 17

Exercice 6 Au cours d’une conversation téléphonique : Vrai

Faux

a) Le mobile reçoit et émet simultanément les données vocales b) Le mobile émet les données binaires durant 20% du temps c) Le mobile passe alternativement en émission et en réception durant 1 time-slot d) La durée d’un time-slot d’émission est d’environ 570 µs

e) En réception, les circuits d’émission sont au repos pour minimiser sa consommation f) La puissance émise par le mobile est toujours la même, elle est fixée par le mobile g) Le courant que doit fournir la batterie est loin d’être constant h) En-dehors des phases d’émission et de réception, le mobile est au repos

18

Solution 6 Au cours d’une conversation téléphonique : Vrai

Faux

a) Le mobile reçoit et émet simultanément les données vocales

X

b) Le mobile émet les données binaires durant 20% du temps

X

c) Le mobile passe alternativement en émission et en réception durant 1 time-slot

X

d) La durée d’un time-slot d’émission est d’environ 570 µs

X

e) En réception, les circuits d’émission sont au repos pour minimiser sa consommation

X

f) La puissance émise par le mobile est toujours la même, elle est fixée par le mobile g) Le courant que doit fournir la batterie est loin d’être constant h) En-dehors des phases d’émission et de réception, le mobile est au repos

X X X

Commentaires : a) b) le mobile est alternativement en réception durant 1 time-slot, puis (3 time-slots plus tard) en émission durant 1 time-slot. Il émet donc 1/8 du temps soit 12.5% du temps. f) la puissance du mobile est ajustée par la base en permanence h) dans la trame, il y a 1 time-slot d’émission, 1 de réception mais aussi 1 de mesure de puissance des balises des cellules voisines (pour un éventuel changement de cellule si l’usager du mobile se déplace) 19

Exercice 7 L’enregistrement ci-dessous montre les salves émises par un mobile lors de l’établissement d’une communication téléphonique :

Vrai

Faux

a) Cette émission pourrait être celle d’une voie balise b) L’émission est pulsée à 220 Hz environ c) Un « 1 » correspond à la transmission de 3330,25 périodes de porteuse d) Un « 0 » correspond à la transmission de 3329 ,75 périodes de porteuse

e) Pendant la transmission d’un bit, la phase glisse pour atteindre ± 90° à la fin du bit f) Un burst contient 156.25 bits 20

Solution 7 Vrai a) Cette émission pourrait être celle d’une voie balise

X

b) L’émission est pulsée (mode tout ou rien) périodiquement à 217 Hz environ

X

c) Un « 1 » correspond à la transmission de 3330,25 périodes de porteuse

X

d) Un « 0 » correspond à la transmission de 3330 périodes de porteuse

X

e) Pendant la transmission d’un bit, la phase glisse pour atteindre ± 90° à la fin du bit

X

f) Un burst contient 156.25 bits

Faux

X

Commentaires a) la voie balise émet en continu, mais pas de manière pulsée. f) l’ensemble de bits que contient un burst est : 3 + 58 + 26 + 58 + 3 = 148 bits 21

Exercice 8 1) En vue d’établir une communication téléphonique, la station de base affecte au mobile le time-slot 3 du canal 35. Quelle sera la fréquence d’émission du mobile ? la fréquence de réception ? 5) On a enregistré une portion de spectre de la bande GSM. S’agit-il de la bande montante ou descendante ? A quels canaux correspondent ces émissions ? où est l’erreur ?

22

Exercice 9 On mesure la puissance émise par un mobile en communications dans les deux cas suivants :

1er cas : En plaçant le mobile en espace libre (Figure 1) :

2ème cas : En plaçant le mobile dans un ascenseur constituant une enceinte métallique limitant la bonne propagation des ondes. Les portes se ferment, puis s’ouvrent (Figure 2) : 1) Commenter les deux enregistrements 2) Évaluer le temps que met la station de base à réagir pour diminuer ou augmenter la puissance d’émission du mobile. Pourquoi conseille-t-on d’éviter de téléphoner dans un ascenseur, un sous-sol ou un tunnel ? 23

Solution 9 Figure 1 : Au début de la conversation, la puissance émise par le mobile commence à déminuer progressivement jusqu’à un niveau minimal. Figure 2 : on observer le réajustement de la puissance émise par le mobile suite à l’ouverture ou à la fermeture des portes de l’ascenseur.

On conclut que la station de base contrôle la puissance d’émission du mobile au bout de 3 à 4 secondes afin de minimiser la consommation et d’augmenter l'autonomie du mobile tout en conservant la bonne liaison et haute qualité de la communication (diminution du niveau d'interférence dans les canaux adjacents)

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Exercice 10 L’enregistrement suivant montre comment le mobile réagit lorsqu’on arrête de parler dans le microphone :

1) Pourquoi le mobile continue-t-il à émettre de temps en temps ? 2) Décrire le comportement d’un mobile en état de communication et en état hors communication ? 3) Indiquer le type et le rôle des voies utilisées dans chaque état ? 25

Solution 10 L’enregistrement suivant montre comment le mobile réagit lorsqu’on arrête de parler dans le microphone :

1) Le réseau cellulaire a besoin d’identifier et localiser les mobiles actifs. Les mobiles doivent donc signaler leur entrée dans le réseau, leurs déplacements ainsi que leur sortie. Il est invité à se manifester à intervalle régulier pour confirmer sa présence. 2) 3) Voir le cours : chapitre 3, pages 26 et 27 26

Exercice 11 Compléter la définition par qui convient : L’interface radio du GSM900 travaille dans les bandes ………… MHz dans le sens montant

et ………… MHz dans le sens descendant. Une version GSM étendue a également été définie, le E-GSM, qui travaille dans les bandes ………… MHz dans le sens montant et ………… MHz dans le sens descendant. Le réseau DCS1800 utilise un sens montant entre

………… MHz et un sens descendant de ………… MHz. Chaque porteuse radio exige une largeur de ………… KHz, de telle sorte que ………… porteuses sont disponibles en GSM900, ………… en E-GSM, ………… en DCS1800.

27

Solution 11 Compléter la définition par qui convient :

L’interface radio du GSM900 travaille dans les bandes ………… (890-915) MHz dans le sens montant et ………… (935-960) MHz dans le sens descendant. Une version GSM étendue a également été définie, le E-GSM, qui travaille dans les bandes ………… (880-

915) MHz dans le sens montant et ………… (925-960) MHz dans le sens descendant. Le réseau DCS1800 utilise un sens montant entre ………… (1 710 et 1 785) MHz et un sens descendant de ………… (1 805 à 1 880) MHz. Chaque porteuse radio exige une largeur de ………… (200) KHz, de telle sorte que ………… (125) porteuses sont disponibles en GSM900, ………… (174) en E-GSM, ………… (374) en DCS1800.

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Exercice 12 On considère la station de base d’un réseau GSM. Cette station gère l’interface air avec les mobiles de sa cellule. L’interface air utilise une technique d’accès au canal radio de type TDMA, dans laquelle la trame de base possède 16 porteuses, c’est-à-dire 16 fréquences disponibles. La durée de la trame est de 4,615 ms, et chaque trame est divisée en 8 tranches de temps. a) Si une parole téléphonique compressée en GSM représente 12 Kbit/s, combien de communications simultanées une cellule peut-elle contenir au maximum ? b) Si un client souhaite obtenir une communication à 64 Kbit/s, combien doit-il trouver de tranches disponibles sur chaque trame pour arriver à ce débit ? c) En supposant que l’on puisse permettre à un utilisateur d’atteindre des débits en mégabit par seconde, combien de tels abonnés pourraient être pris en charge simultanément ? d) On suppose que deux cellules se recouvrent partiellement de façon à éviter une coupure des communications. Un mobile peut-il capter la même fréquence sur les deux cellules ? e) On suppose que le mobile capte les fréquences des deux cellules. Comment doit-il choisir sa cellule dans le GSM ? 29

Solution 12 a) Une tranche de temps correspond au passage d’une voie GSM. Il y a donc 8 voies de parole par porteuse et donc:

8 * 16 = 128 voies de parole b) Il faut 7 tranches de temps. Sur chaque tranche, un débit de 9.6 Kbit/s peut être pris en charge. c) Si un utilisateur peut acquérir l’ensemble des 8 tranches de temps d’une porteuse, cela lui donne un débit de :

8 * 9.6 = 76,8 Kbit/s Si un seul utilisateur pouvait occuper toutes les tranches et toutes les porteuses, il prendrait toutes les ressources de la cellule et aurait un débit total de : 76.8 * 16 = 1228,8 Kbit/s c’est-à-dire un peu plus de 1 Mbit/s. d) Non, un mobile ne peut capter la même fréquence sur les deux cellules si un TDMA est utilisé car il y aurait des interférences. En revanches, si la technique employée est du CDMA, il peut capter la même fréquence.

e) Dans le GSM, le terminal choisit la cellule d’où provient l’émission la plus forte. 30

Exercice 13 Pour éviter de déconnecter un utilisateur en cours de transmission, il faut que, lors d’un hand-over, une fréquence soit disponible dans la nouvelle cellule.

a) Existe-t-il un moyen de s’assurer qu’il y ait toujours une fréquence disponible ? b) Il existe deux sortes de handovers : les soft-handovers et les hard-handovers. Dans le premier cas, soft-handover, pour être sûr que tout se passe bien, le mobile commence à travailler sur la fréquence de la nouvelle cellule, tout en continuant à utiliser la fréquence de l’ancienne cellule, et ce jusqu’à ce que le terminal soit sûr du comportement dans la nouvelle cellule. Cette technique de soft-handover vous parait-elle très contraignante, en particulier quant à l’utilisation des ressources ? c) Le hard-handover s’effectue à un moment précis, le mobile passant de la fréquence de l’ancienne cellule à la fréquence de la nouvelle cellule. Indiquer quels peuvent être les problèmes posés par ce hard-handover ? d) Est-il possible de prévoir le moment où un mobile va effectuer un handover, solution qui permettrait d’effectuer une réservation de ressources à l’avance et de minimiser la probabilité d’interruption de la communication ? 31

Solution 13 a) Non, il n’y a aucun moyen d’être sûr qu’une fréquence est disponible. b) Cette solution de soft-handover demande des ressources dans les deux cellules en même temps, il y a donc une certaine contrainte sur les ressources. Cependant, cela n’est pas vraiment contraignant puisque ne sont pas les ressources d’une même cellule et que le recouvrement est très court (moins de 1 s en générale) c) Dans le hard-hand-over, le problème est de permettre la continuité sans perte d’information, que ce soit de parole ou de données, et de resynchroniser la communication, surtout s’il s’agit de parole. d) Il est presque impossible de connaître avec certitude le lieu et la date du prochain changement de cellules, mais de très bonnes prédictions peuvent en être faites. Il est donc possible d’effectuer des réservations de ressources dans de nombreux cas.

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Exercice 14 1) Comment un système cellulaire permet-il de couvrir le monde entier, sachant que le problème principal d’un tel système provient d’un nombre de fréquences limité ? 2) Pourquoi ne peut-on utiliser la technique d’accès « à jeton » des réseaux à support partagés pour les environnements de réseaux de mobiles ? 3) La technique TDMA affecte une tranche de temps à un utilisateur pendant sa communication. Que se passe-t-il si ce client n’a rien à transmettre pendant un certain laps de temps ? 4) Pourquoi le GPRS, qui n’est qu’une extension du GSM, permet-il des débits supérieur à ceux du GSM ? 5) Donner la structure du réseau GSM?

6) Quel est le rôle des canaux BCH, RACH, PCH, et TCH ?

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Solution 14 1) Le découpage en cellules permet de recouvrir un territoire. Une même fréquence ne peut être utilisée dans deux cellules voisines, car cela entrainerait des interférences. En revanche, une même bande de fréquences peut être utilisée dans deux cellules qui ne sont pas connexes. De ce fait, grâce à la technique cellulaire, on peut réutiliser des centaines de milliers de fois la même fréquence. 2) La technique d’accès à jeton pose des problèmes dans le cadre d’une interface air. Le passage du jeton d’un mobile à un autre serait fastidieux et entrainerait une perte de temps importante. De plus, le problème des mobiles devenant actifs ou inactifs compliquerait sérieusement la continuité de la boucle de passage du jeton. 3) Les tranches de temps sont perdues.

4) Dans le GPRS, un utilisateur peut accéder à plusieurs tranches de temps sur la même trame ce qui permet d’obtenir des débits multiples du débit de base (de GSM). 5) Voir les pages 21 et 22 du chapitre 3.

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Solution 14 (suite) 6) Le canal BCH (Broadcast Channel) : c’est la liaison descendent de la voie balise. Ce signal contient des informations concernant les opérateurs, les fréquences, la synchronisation, … Le canal RACH (Random Access Channel) : c’est la liaison montante de la voie balise, il est utilisé par le mobile pour signaler son désir de se connecter au réseau pour une communication. Le canal PCH (Paging Channel) : il est utilisé par le MSC pour faire diffuser dans la zone de localisation un message à l’attention du mobile auquel on veut téléphoner. Le canal TCH (Traffic Channel) appelé aussi voie de trafic. Il permet le mobile d’échanger avec la base des signaux de parole et de contrôle.

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