LES DIFFERENTES GENERATIONS DE RESEAU MOBILE
Depuis plusieurs années, le développement des réseaux mobiles n’a pas cessé de s’accroitre. Plusieurs générations ont vu le jour (1G, 2G, 3G, 4G et prochainement la 5eme Génération.).Elles ont connu une évolution remarquable, en apportant d’une part, un débit de plus en plus élevé et d‘autre part une bande passante de plus en plus large. L’un des avantages d’une telle bande passante est le nombre d’utilisateurs pouvant être supportés. Les réseaux de la 1ère génération (appelée aussi 1G) ont été intégrés au réseau de télécommunication dans les années 80. Ces systèmes ont été abandonnés il y a quelques années, laissant la place à la seconde génération, appelée 2G lancée en 1991.
Elle est encore active de nos jours. Nous pouvons distinguer deux autres types de générations au sein même de la seconde : la 2.5 et la 2.75. Le principal standard utilisant la 2G est GSM. A la différence de la 1G, la seconde génération de normes permet d’accéder à divers services, tel que l’utilisation du WAP permettant d’accéder à Internet. La 3ème génération connue sous le nom de 3G permet un haut débit pour l’accès à l’internet et le transfert de données. En ce qui concerne la nouvelle génération 4G(LTE), déployé jusque-là que par quelque pays, elle permet d’avoir un très haut débit et une moindre latence ; elle donne la possibilité d’avoir accès beaucoup d’autres services qu’on verra dans le prochain chapitre.
Une petite précision s’impose concernant la LTE : elle est encore une norme transitionnelle (3.9G), mais c’est par abus de langage que le mérite lui a été accordé. Dans ce chapitre, nous allons présenter les différentes générations de téléphones mobiles, leurs architectures ainsi que d’autres services pouvant être utilisés par chacune de ces générations cellulaires.
Historique
L’usage des services de communications mobiles a connu un essor remarquable, ces dernières années. A la fin de l’année, on a recensé environ 6.4 milliards d’abonnés à travers le monde. C’est véritablement un nouveau secteur de l’industrie mondiale qui s’est créé, regroupant notamment les constructeurs de circuits électroniques, les terminaux mobiles, les infrastructures de réseaux, les d’applications et les services et opérateurs de réseaux mobiles .
Bases du réseau mobile
Le premier réseau mis en service était déjà basé sur le concept de motif cellulaire, concept défini au sein des Bell Labs au début des années 1970. Cette technique est une composante technologique clé des réseaux mobiles car elle permet de réutiliser les ressources du réseau d’accès radio sur plusieurs zones géographiques données appelées cellule. À une cellule est ainsi associée une ressource radio (une fréquence, un code…) qui ne pourra être réutilisée que par une cellule située suffisamment loin afin d’éviter tout conflit intercellulaire dans l’utilisation de la ressource. Conceptuellement, si une cellule permet d’écouler un certain nombre d’appels simultanés, le nombre total d’appels pouvant être supportés par le réseau peut être contrôlé en dimensionnant les cellules selon des tailles plus ou moins importantes. Ainsi, la taille d’une cellule située en zone urbaine est habituellement inférieure à celle d’une cellule située en zone rurale. Les réseaux mobiles sont tous basés sur ce concept de cellule, c’est pourquoi ils sont aussi appelés réseaux cellulaires.
Une cellule est contrôlée par un émetteur/récepteur appelé station de base, qui assure la liaison radio avec les terminaux mobiles sous sa zone de couverture. La couverture d’une station de base est limitée par plusieurs facteurs, notamment :
• la puissance d’émission du terminal mobile et de la station de base ;
• la fréquence utilisée ;
• le type d’antennes utilisé à la station de base et au terminal mobile ;
• l’environnement de propagation (urbain, rural, etc.) ;
• la technologie radio employée.
Une cellule est communément représentée sous la forme d’un hexagone ; en effet, l’hexagone est le motif géométrique le plus proche de la zone de couverture d’une cellule qui assure un maillage régulier de l’espace. Dans la réalité, il existe bien entendu des zones de recouvrement entre cellules adjacentes, qui créent de l’interférence intercellulaire.
On distingue plusieurs types de cellules en fonction de leur rayon de couverture, lié à la puissance d’émission de la station de base, et de leur usage par les opérateurs.
• Les cellules macro sont des cellules larges, dont le rayon est compris entre quelques centaines de mètres et plusieurs kilomètres. Les cellules macro couvrent l’ensemble d’un territoire de manière régulière et forment ainsi l’ossature de la couverture d’un réseau mobile. Elles sont contrôlées par des stations de base macro dont la puissance est typiquement de 40 W (46 dBm) pour une largeur de bande de 10 MHz. Leurs antennes sont placées sur des points hauts, comme des toits d’immeubles ou des pylônes.
• Les cellules micro sont des cellules de quelques dizaines à une centaine de mètres de rayon, destinées à compléter la couverture des cellules macro dans des zones denses ou mal couvertes. Les stations de base associées sont appelées des stations de base micro et leur puissance est de l’ordre de 10 W (40 dBm). Leurs antennes sont typiquement placées sous le niveau des toits, généralement en façade de bâtiments.
• Les cellules pico poursuivent le même but que les cellules micro, mais sont associées à des puissances plus faibles, de l’ordre de 0,25 à 5 W (24 à 37 dBm). Elles peuvent notamment servir à couvrir des hot spots, ou de grandes zones intérieures (indoor), tels que des aéroports ou des centres commerciaux. Les antennes des stations de base pico peuvent être placées comme celles des stations de base micro, ou au plafond ou contre un mur à l’intérieur de bâtiments.
• Les cellules femto sont de petites cellules d’une dizaine de mètres de rayon, principalement destinées à couvrir une habitation ou un étage de bureaux. Elles sont associées à des puissances faibles, de l’ordre d’une centaine de mW (20 dBm), et sont généralement déployées à l’intérieur des bâtiments.
Chaque station de base requiert un site radio, habituellement acquis ou loué par l’opérateur de réseaux mobiles, à l’exception des stations de base femto qui peuvent être déployées par l’utilisateur. On notera que seules les cellules macro sont généralement déployées selon un motif cellulaire régulier, les autres types de cellules venant dans la plupart des cas seulement compléter localement la couverture, formant alors un réseau dit hétérogène.
Afin de minimiser le nombre de stations de base macro, on utilise communément la trisectorisation. Ce déploiement consiste pour une station de base à mettre en œuvre un système d’émission/réception dans trois directions distinctes appelées azimuts. Ceci s’effectue au moyen d’antennes directionnelles, chaque antenne pointant dans une direction donnée. Le schéma suivant présente une topologie commune de réseau macrocellulaire et illustre le concept de trisectorisation, chaque flèche représentant la direction de pointage d’une antenne et chaque hexagone représentant une cellule. Dans le cas de la trisectorisation, une cellule est aussi appelée un secteur. Notons que dans la réalité, notamment en milieu urbain, les cellules ne sont pas disposées selon un motif aussi régulier et peuvent être de formes variées en fonction de la propagation locale .
L’architecture d’un réseau mobile inclut trois entités fonctionnelles :
• le terminal mobile, appelé aussi équipement utilisateur (ou usager), abrégé en UE (User Equipment) ;
• le réseau d’accès ou RAN (Radio Access Network) ;
• le réseau cœur ou CN (Core Network).
On distingue également deux domaines :
• le domaine de l’UE, qui inclut les équipements propres à l’utilisateur ;
• le domaine de l’infrastructure, constitué des équipements propres à l’opérateur.
Normes téléphoniques
Avant d’expliquer l’état actuel des technologies utilisées aujourd’hui, il nous semble intéressant de rappeler l’évolution de ces techniques, cela a pour avantage de savoir de quoi nous sommes partis pour mieux se positionner à l’heure actuelle.
La première génération des téléphones mobiles (1G)
La première génération des téléphones mobiles est apparue dans le début des années 80 en offrant un service médiocre et très couteux de communication mobile. La première génération(1G) avait beaucoup de défauts, comme les normes incompatibles d’une région à une autre, une transmission analogique non sécurisée (écouter les appels), pas de roaming vers l’international (roaming est la possibilité de conserver son numéro sur un réseau d’un autre opérateur) .
La deuxième génération des téléphones mobiles (2G)
Le GSM est apparu dans les années 90. Il s’agit de la norme 2G. Son principe, est de passer des appels téléphoniques, s’appuyant sur les transmissions numériques permettant une sécurisation des données (avec cryptage), il a connu un succès et a permis de susciter le besoin de téléphoner en tout lieu avec la possibilité d’émettre des minimessages (Short Message Service : SMS, limités à 80 caractères). Ainsi qu.il autorise le roaming entre pays exploitant le réseau GSM. Devant le succès, il a fallu proposer de nouvelles fréquences aux opérateurs pour acheminer na toutes les communications, et de nouveaux services sont aussi apparus, comme le MMS(Multimedia Messaging Service). Le débit de 9.6 kbps proposé par le GSM est insuffisant, dans ce concept, ils ont pensaient à développer de nouvelles techniques de modulations et de codages qui ont permis d’accroitre le débit pour la nouvelle génération.
Réseau GSM
Le réseau GSM a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles (GSM) et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC.réseau fixe). Il se distingue par un accès spécifique appelé la liaison radio.
Ainsi le réseau GSM est composé de trois sous-ensembles :
a) Sous-système radio (BSS)
BSS pour base station sub-system, c’est un sous-système de l’architecture GSM qui assure les transmissions radioélectriques et gère la ressource radio. Le BSS comprend les BTS qui sont des émetteurs-récepteurs ayant un minimum d’intelligence et les BSC qui contrôlent un ensemble de BTS et permettent une première concentration des circuits.
b) Sous-système d’acheminement (NSS)
Son rôle est d’assurer les fonctions de commutations et de routage. C’est donc lui qui permet l’accès au réseau public RTCP ou RNIS. En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme GSM. Il se compose de plusieurs équipements, en citant quelques-uns :
❖ Le HLR : une base de données de localisation et de caractéristiques des abonnés. Un réseau peut posséder plusieurs HLR selon des critères de capacité de machines, de fiabilité et d’exploitation. Le HLR est l’enregistreur de localisation nominale par opposition au VLR qui est l’enregistreur de localisation des visiteurs. Une base de données qui conserve des données statiques sur l’abonné et qui administre des données dynamiques sur le comportement de l’abonné. Les informations sont ensuite exploitées par l’OMC. L.’AUC est une base de données associée au HLR.
❖ Le VLR : l’enregistreur de localisation des visiteurs est une base de données associée à un commutateur MSC. Le VLR a pour mission d’enregistrer des informations dynamiques relatives aux abonnés de passage dans le réseau, ainsi l’opérateur peut savoir à tout instant dans quelle cellule se trouve chacun de ses abonnés. Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR mais concernent les abonnés présents dans la zone concernée. A chaque déplacement d’un abonné le réseau doit mettre à jour le VLR du réseau visité et le HLR de l’abonné afin d’être en mesure d’acheminer un appel vers l’abonné concerné ou d’établir une communication demandée par un abonné visiteur.
❖ Les MSC : ce sont des commutateurs de mobiles généralement associés aux bases de données VLR. Le MSC assure une interconnexion entre le réseau mobile et le réseau fixe publique. Le MSC gère l’établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages courts et l’exécution du handover si le MSC concerné est impliqué. (Le handover est un mécanisme grâce auquel un mobile peut transférer sa connexion d’une BTS vers une autre (handover inter BTS) ou, sur la même BTS d’un canal radio vers un autre (handover intra BTS). On parle de transfert automatique inter/intra cellule. Le commutateur est un nœud important du réseau, il donne un accès vers les bases de données du réseau et vers le centre d’authentification qui vérifie les droits des abonnés. En connexion avec le VLR le MSC contribue à la gestion de la mobilité des abonnés (à la localisation des abonnés sur le réseau) mais aussi à la fourniture de toutes les télés services offerts par le réseau : voix, données, messageries… Le MSC peut également posséder une fonction de passerelle, GMSC (Gateway MSC) qui est activée au début de chaque appel d’un abonné fixe vers un abonné mobile [6]. Un couple MSC/VLR gère généralement une centaine de milliers d’abonnés. Les commutateurs MSC sont souvent des commutateurs de transit des réseaux téléphoniques fixes sur lesquels ont été implantés des fonctionnalités spécifiques au réseau GSM.
❖ L’AUC: ou centre d’authentification (Authentification Center) mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour chiffrer (crypter) les communications. L’AUC de chaque abonné est associé au HLR. Pour autant le HLR fait partie du « sous-système fixe» alors que l’AUC est attaché au « sous-système d’exploitation et de maintenance ».
c) Sous-système d’exploitation et de maintenance(OSS)
OSS (Operation Sub-System) permet à l’opérateur d’exploiter son réseau. La mise en place d’un réseau GSM (en mode circuit) va permettre à un opérateur de proposer des services de type « Voix » à ses clients en donnant accès à la mobilité tout en conservant un interfaçage avec le réseau fixe RTC existant.
❖ L’OMC et le NMC : deux niveaux de hiérarchie sont définis dans la norme GSM. Les OMC (Operations and Maintenance Center) et les NMC (Network and Management Centre). Cette organisation a été définie afin de permettre aux opérateurs télécoms de gérer la multiplicité des équipements (émetteurs, récepteurs, bases de données, commutateurs …) et des fournisseurs. Le NMC permet l’administration générale de l’ensemble du réseau par un contrôle centralisé. Ainsi que les OMC permettent une supervision locale des équipements (BSC /MSC / VLR) et transmettent au NMC les incidents majeurs survenus sur le réseau. Les différents OMC assurent une fonction de médiation.
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