H. Réseau cellulaire

H.                   RÉSEAU CELLULAIRE

Le réseau cellulaire est un réseau de communications spécialement destiné aux équipements mobiles. Il permet la communication entre ces unités mobiles ainsi qu'avec l'ensemble des abonnés. L'onde radio dans le cas d'un réseau cellulaire est le lien entre le mobile et l'infrastructure de l'émetteur.

1.         LIAISONS ENTRE TÉLÉPHONES MOBILES

a)     SYSTÈME GSM

En 1982, le cept a décidé de normaliser un système de communication mobile dans la gamme des 890-915 et 935-960 MHz pour l'ensemble de l'Europe. Un peu plus tard, les premiers grands choix étaient faits avec en particulier un système numérique.

Avec une autre version dans la gamme des 1 800 MHz (le dcs 1800 ou Digital Cellular System), la norme gsm (Global System for Mobile communication) a été finalisée au début 1990. Cette norme  est complète et comprend tous les éléments nécessaires à un système de communication numérique avec les mobiles.

Dans un système GSM, la station mobile comprend deux parties :

• l'équipement mobile qui permet la communication radio
• le module d'identification qui contient les caractéristiques identifiant l'abonné.

Le réseau est découpé en cellules qui possèdent chacune une station de base, ou bts (Base Transceiver Station), qui s'occupe des transmissions radio sur la cellule. Associés à la station de base, des canaux de signalisation vont permettre aux mobiles de communiquer avec la bts et vice versa. Chaque station de base est reliée à un contrôleur de station de base ou bcs (Base Station Controller).

Le réseau lui-même contient un commutateur ou msc (Mobile service Switching Center) qui communique avec les différents systèmes radio, un enregistreur de localisation nominal ou hlr (Home Location Register) qui n'est autre qu'une base de données de gestion des mobiles et un enregistreur de localisation des visiteurs ou vlr (Visitor Localisation Register) qui est une base de données des visiteurs dans une cellule.

En ce qui concerne le mode d'accès, c'est la technique amrt (Accès Multiple à Répartition dans le temps) ou tdma (Time Division Multiple Access), dans laquelle le temps est découpé en tranches, qui est employée. Une seule station au maximum peut accéder à une tranche donnée. Par canal radio, le découpage est effectué en 8 tranches d'une durée de 0,57ms. La parole est comprimée sur une bande de 22,8 Khz qui inclut un codage permettant la correction d'erreurs.
Le principal obstacle que doit surmonter un système de radiotéléphonie mobile à grande capacité comme le gsm est l'étroitesse de la bande de fréquence du spectre radioélectrique disponible. D'où l'idée d'utiliser un grand nombre d'émetteurs récepteurs de faible puissance, disséminés à travers tout le territoire à couvrir (une ville, une région ou un pays). Chaque station offre une couverture de bonne qualité dans une zone restreinte, appelée "cellule", dont le rayon mesure quelques centaines de mètres, quelques kilomètres au maximum. On parle alors de "réseau cellulaire".
À l'échelle d'un pays, l'opérateur du réseau gsm répétera l'opération sur base d'un "planning de couverture". Il tiendra notamment compte de la densité de population des différentes zones à couvrir, et installée un grand nombre de plus petites cellules dans les zones urbaines. Notons que la taille des cellules dépendra également de la puissance des terminaux mobiles que le réseau souhaite accepter. Plus la puissance des terminaux est faible (téléphones portatifs), plus il faudra de cellules de petit rayon, dites "microcellules".

Le territoire à desservir est décomposé en cellules. Une cellule est liée à une station de base ou bts (Base Transceiver Station) qui possède l'antenne permettant d'émettre vers les mobiles et vice versa. Si la densité du trafic est très forte, plusieurs stations de base peuvent couvrir la cellule avec des rayons inférieurs à 500 mètres.
Les radiotéléphones cellulaires sont en général utilisés en déplacement. Or, comme deux cellules contiguës n'utilisent pas les mêmes canaux radio, la transmission doit donc changer de canal chaque fois que le mobile traverse la frontière séparant deux cellules. Ce processus de transfert automatique d'un canal radio à un autre est appelé handover (transfert) Concrètement, le système cellulaire contrôle en permanence la puissance du signal entre le mobile et la station de base la plus proche. Dès que la puissance tombe sous un niveau donné, le système attribue automatiquement un nouveau canal au mobile, qu'il soit ou non en cours de communication. En fait, le système commande au téléphone mobile de passer sur le nouveau canal et de libérer l'ancien pour un nouvel utilisateur éventuel. Le transfert de canal s'effectue en une fraction de seconde. L'utilisateur ne s'en rend pas compte.

b)    SOUS-ENSEMBLES

• Le sous-système radio rassemble ces stations de base auxquelles sont ajoutés les contrôleurs de stations de base ou bcs (Base Station Controller). Cet ensemble doit gérer l'interface radio. Le travail des stations de base est de prendre en charge les fonctions de transmission et de signalisation. Le contrôleur de base doit gérer les ressources radioélectriques des stations de base qui dépend de lui.
• Le sous-système réseau contient les centres de commutation du service mobile ou msc (Mobile service Switching Center) qui assurent l'interconnexion des stations de base entre elles et avec les autres réseaux de télécommunication. Ces centres n'assurent pas la gestion des abonnés et leur rôle est essentiellement la commutation permettant de relier directement ou par un réseau extérieur, les contrôleurs de stations de base.
  Il contient aussi deux bases de données :

• l'enregistreur de localisation nominal ou hlr (Home location register), gère les abonnés qui sont rattachés au msc (enregistreur statique)
• l'enregistreur de localisation des visiteurs ou vlr (Visitor Localisation register), a pour but de connaître la localisation des mobiles qui traversent la zone dont s'occupe le msc (enregistreur dynamique). L'accès d'un utilisateur s'effectue au travers d'une carte, la carte SIM (Subscriber Identity Module) qui identifie l'abonné

• Le sous-système d'exploitation (OMC) et de maintenance qui permet à l'opérateur d'administrer son réseau.

c)     LIAISON

Lorsque l'utilisateur met son terminal en marche, celui-ci essaie de se connecter à une station de base en explorant la bande de fréquences disponible dans la cellule. La station de base est identifiée par les messages que cette station envoie sans arrêt sur le canal sémaphore de la cellule. Une fois que le terminal a choisi sa cellule en fonction de la puissance des signaux reçus, il se fait connaître grâce au dialogue qui s'établit entre la carte d'identification et la station de base. Le numéro de la zone de localisation du mobile est alors mémorisé dans l'enregistreur de localisation des visiteurs. La station mobile doit effectuer cette opération régulièrement pour faire connaître sa situation géographique. C'est le terminal qui détecte si une nouvelle cellule est mieux appropriée pour  ses communications et qui l'indique à la nouvelle station de base qui relaiera cette information dans l'enregistreur de localisation des visiteurs. Si la zone msc est modifiée, ce changement géographique est détecté par l'enregistreur de localisation des visiteurs qui dialogue avec le terminal pour mettre sa base de données à jour. C'est cet enregistreur de localisation des visiteurs qui avertit l'enregistreur de localisation nominal du changement et celui-ci à son tour vient mettre à jour l'enregistreur de localisation des visiteurs de la zone qui a été quittée.
La gestion d'un appel provenant du terminal est la suivante : le mobile demande une bande passante par l'intermédiaire du canal sémaphore, puis transmet le n° d'appel au centre de commutation des services mobiles qui l'envoie aux commutateurs du réseau fixe de l'opérateur.
La gestion d'un appel à destination d'un mobile est plus complexe. L'opérateur est indiqué par le type de n° du mobile. L'appel est acheminé vers le msc le plus proche qui, grâce aux premiers chiffres, détecte l'emplacement de l'enregistreur de localisation nominale. Après interrogation de cet enregistreur, l'appel est acheminé jusqu'au msc concerné qui, grâce à son enregistreur de localisation des visiteurs, véhicule l'appel jusqu'à la station de base concernée. Celle-ci envoie alors un message de diffusion qui permet au mobile de reconnaître son adresse et de demander l'établissement de la communication.

Les différentes entités de gestion du réseau de mobile communiquent entre elles par un protocole dénommé map (Mobile Application Part).

d)    NORMES

Standard	Nom	Nature	Débit
GSM	2G	transfert voix ou données numériques (petit volume)	9,6 kpb/s
GPRS	2.5G	transfert voix ou données numériques (petit volume)	171,2 kpb/s
EDGE	2.75G	transfert voix et données numériques.	345,6 kbp/s
UMTS	3G	transfert voix et données numériques (haut débit)	2 Mbp/s
LTE	4G	transfert voix et données numériques (très haut débit)	1 Gb/s
IMT-2020/LTE- B	5G	transfert voix et données numériques (très haut débit)	20 Gb/s 50 prévu

2.         LIAISONS ENTRE ORDINATEURS

a)     WIFI

Wifi est une technologie de réseau sans fil qui permet de partager un accès Internet rapide (ADSL) dans une habitation, une entreprise.

(1)      TECHNOLOGIE

Wifi est proposé en plusieurs déclinaisons :

• Wifi 1 / 802 11b utilise la longueur d'onde de 2,4 Ghz pour une vitesse maxi de 11 Mbits/s. Il est autorisé en France à l'intérieur comme à l'extérieur
• Wifi 1 / 802 11 b+variante du 11b pouvant atteindre une vitesse de 22 Mbits/s
• Wifi 2 / 802 11a utilise la fréquence des 5 Ghz pour une vitesse maxi de 54 Mbits/s et n'est pas compatible avec les autres du fait de sa fréquence particulière ; il n'est autorisé qu'à l'intérieur de bâtiments.
• Wifi 3 / 802 11 gComme le 802 11a, il atteint une vitesse de 54 Mbits/s  mais emprunte la fréquence des 2,4 Ghz, ce qui le rend compatible avec le 802 11 b ; attention, il est encore en cours de normalisation.
• Wifi 4 / 802 11 n permet un débit théorique allant jusqu'à 300 Mbit/s et une portée allant jusqu'à 91 mètres à l'intérieur et 182 mètres en extérieur. En pratique, le débit oscille plutôt entre 100 et 120 Mbit/s et la portée ne dépasse pas les 80 mètres.
• Wifi 5 / 802 11 ac permet une connexion sans fil haut débit en dessous de 6 GHz (communément connu comme la bande des 5 GHz). Les canaux attendus offriraient 500Mbp/s chacun, soit jusqu'à 8Gbp/s de débit pour un flux grâce au multiplexage
• Wifi 6 / 802.11ax améliore le débit jusqu'à 10Gbp/s et la portée à 35 m du Wifi 5 avec une nouvelle version du chiffrage wpa. Il utilise 4 fréquences : 2,4 GHz, 5 GHz - (faible vitesse), 5 GHz  et 6 GHz
• Wifi 7 / 802 11 be avec un débit maximal théorique annoncé de 46 Gbps et une bande passante doublée, passant de 160 MHz à 320 MHz, le Wi-Fi 7 devrait apparaître en 2023

La technologie Bluetooth, mise au point par Ericson, fonctionne à la même fréquence que le Wifi (2,4 Ghz), ce qui peut d'ailleurs provoquer des interférences, mais dispose d'un débit beaucoup plus bas (721 Kbp au maximum) ; cette technologie est donc adaptée à la connexion de téléphones portables et d'accessoires divers ; Bluetooth est par ailleurs plus sensible aux murs et autres obstacles

(2)      MATÉRIEL

L'utilisation du Wifi nécessite le matériel suivant :

• Une carte qui peut être selon la machine hôte de différents types :

• PC Card : modèle le plus courant adapté aux ordinateurs portables, le plus souvent PMCIAII ; elles intègrent toujours une antenne (pas toujours un connecteur externe).
• Carte PCI : modèle au standard PCI pour les ordinateurs de bureau nécessitant l'ouverture de la machine ; le plus souvent munie d'une antenne externe pour les liaisons à travers les murs.
• Module intégré sur la carte mère
• Adaptateur USB : modèle qui se branche sur un port USB externe

• Le routeur permet de partager les ressources entre plusieurs machines ;

• Le routeur standard permet de créer un réseau en étoile. Il est indispensable s'il y a plus de deux machines.
• Le routeur/modem ADSL intègre un modem ADSL, ce qui permet de partager facilement sa connexion ADSL sur le réseau.

• L'antenne permet d'étendre le réseau. Elle peut être en grille, en hélice, en patch, en parabole, en barre… Sa puissance détermine la taille du réseau.

• L'antenne directionnelle émet un signal selon un ange de 70 à 80 °
• L'antenne omnidirectionnelle émet un signal sur 360 °

• Éventuellement un matériel pour amplifier le signal reçu :

• Un amplificateur qui amplifie le signal wifi d'origine
• Un répéteur répète le signal émis. Le répéteur reproduit le signal wifi à l’identique. Un répéteur wifi permet de conserver le nom de réseau wifi d'origine.

Le réseau Wifi présente une sécurité limitée; même crypté, la clé étant fixe peut aisément être décryptée ; la technologie à changement de clé (notion d'évasion de fréquence en communication militaire) va permettre de sécuriser les communications

 

Une adaptation future du WiFi est le LiFi qui module les ondes lumineuses pour transmettre l'information avec l'avantage et l'inconvénient de devoir être dans le rayon de la source lumineuse.

b)    WIMAX

Le wimax, plus ou moins abandonné, est adapté aux secteurs péri-urbains voire ruraux qui n'ont pas d'infrastructure téléphonique filaire exploitable. Il procure des débits de plusieurs dizaines de mégabits/seconde sur une zone de couverture portant sur quelques dizaines de kilomètres au maximum.

(1)      TECHNOLOGIE

Le wimax peut être, en fonction des bandes de fréquences, des débits exploités, de l'étendue des couvertures et des applications, un simple prolongement du wi-fi, le cœur de réseau du wi-fi  ou encore, la convergence du wi-fi et du réseau cellulaire de troisième génération (umts ou "3G").

NORMES

IEEE 802.16e	apporte les possibilités d'utilisation en situation mobile du standard, jusqu'à 122 km/h.
IEEE 802.16f	Spécifie la MIB (Management Information Base), pour les couches MAC (Media Access Control) et PHY (Physical)
IEEE 802.16m	Débits en nomade ou stationnaire jusqu'à 1 Gbit/s et 100 Mbits/s en mobile grande vitesse. Convergence des technologies WiMAX, Wi-Fi et 4G

(2)      MATÉRIEL

Il est comparable à celui nécessaire pour le wifi. Cependant, la portée, les débits, et surtout la nécessité ou non d'être en ligne de vue de l'antenne émettrice, dépendent de la bande de fréquence utilisée.
Dans la bande 10-66 GHz, les connexions se font en ligne de vue (LOS, line of sight), alors que sur la partie 2-11 GHz, le nlos (non line of sight) est possible notamment grâce à l'utilisation de la modulation ofdm.

Sachant qu'une antenne porte sur plusieurs secteurs (6, par exemple) pour couvrir tout son périmètre et que ces débits sont à partager entre utilisateurs, l'offre est comparable au DSL, mais avec la mobilité en plus

EXEMPLES DE DÉBIT