Radio Mobile

Réseaux mobiles 2G et 3G
Xavier Lagrange
dép. RSM 12/04
ENST Bretagne
Sommaire
1. Réseaux cellulaires et systèmes sans fils .................................... 1

2. La Ressource radio....................................................................... 3
3. Concept cellulaire ....................................................................... 13
4. Caractéristiques d'une interface radio ........................................ 21
5. Les fonctions cellulaires.............................................................. 33
6. Système GSM............................................................................. 42
7. Généralités sur GPRS ................................................................ 51
8. Les systèmes de troisième génération ....................................... 63
9. Bibliographie ............................................................................... 75
1. Réseaux cellulaires et systèmes sans fils
Réseau cellulaire => couverture continue d’un large territoire avec des stations de base
=> thème principal du cours
Systèmes sans fils => couverture d’îlots (moins complexe)
1
X. Lagrange, ENST Bretagne, Ecotel, Cours sur les Réseaux mobiles 2 G et 3G, déc 2004
Fonctions essentielles dans un réseau radio-mobile

Itinérance ou Roaming : capacité à utiliser le réseau en tout point de la zone de
service (pouvoir appeler et être appelé).
= gestion de la délocalisation
=> gérée par le sous-réseau fixe
Itinérance internationale ou International Roaming : capacité à utiliser un autre

réseau que celui auquel on est abonné.
Mobilité radio : possibilité de déplacer le terminal en gardant la communication.

= gestion du handover ou du transfert intercellulaire automatique
(handover = hand-off)
2
2. La Ressource radio
2.1. Propagation
• réflexion sur les parois lisses grandes devant la longueur d’onde du signal
• diffraction sur les arêtes grandes devant la longueur d’onde du signal
=> permet une couverture de zones masquées
• diffusion sur les surfaces avec des irrégularités de la taille de la longueur d’onde
(feuillage, lampadaires,… )
3
Caractéristiques des multitrajets

• Absence fréquente du trajet direct
• Les obstacles ou réflecteur peuvent être mobiles : réponse impulsionnelle du
canal variable au cours du temps
time
(s)
|h(t,τ)|
t3 τ(t3)
t2 τ(t2)
t1 τ(t1)
t0
τ(t0)
excess delay (µs)
• Définition de réponses impulsionnelles typiques

Puissance
moyenne
τ0 τ1
0 dB
τ2 τ3
-10 dB τ4 τ5
-20 dB
-30 dB
0 1µs 2µs retard
4
Effets des multitrajets
• pour un signal à bande étroite, variations subites de l’amplitude du signal
- modélisation par une loi de Rayleigh (ou de Rice)
- Evanouissements à petite échelle ou Fading ou Fading de Rayleigh, souvent
appelé Fast Fading ou Fading rapide
• pour un signal à bande large,
en fréquence, => modification du spectre du signal
en temps => interférence intersymbole
|H(f)|2
fonction
de transfert
du canal
multitrajet
fréquence
signal signal fréquence

à bande étroite à bande large
5
Phénomène d’évanouissement
signal trajet 2
reçu
(en dB) trajet 1
signal 2
λ/2 (trajet 2) ϕ2
signal 1
résultante ϕ1 (trajet 1)
distance (échelle linéaire)
• évanouissement environ tous les λ/2 (affaiblissement important tous les 10λ)
6
Variation du signal en fonction de la distance
signal reçu
(en dB)
atténuation
médiane en
-10αlogr
Moyenne locale sur

quelques longueurs
d’onde
distance (échelle logarithmique)

émetteur récepteur
• la puissance médiane pmédiane varie en 1/rα : pmédiane= p k λ2/rα
7
Le modèle à trois étages
λ2
• Puissance utile reçue : pr = pe k rα ashadow afading
formule qui s’applique pour des antennes isotropiques (rayonnement uniforme

dans toutes les directions)
• Gain de parcours fonction de la distance r

α : coefficient d'atténuation entre 2 et 4 (typ. 3,5)
λ2
k rα
(On considère souvent l’atténuation ou path loss :rα/(kλ2) exprimée en dB)
• Loi aléatoire modélisant l'effet de masque
Loi log-normale centrée sur 0dB d'écart type 5 à 7 dB
ashadow
• Loi aléatoire modélisant l'évanouissement
afading : loi de Rayleigh (afading suit une loi exponentielle)
afading
8
Synthèse
• Le canal radio est un medium de transmission diffusif,

de qualité médiocre,
fluctuant
• Nécessité du chiffrement pour assurer une confidentialité
• Importance du traitement de signal :

transmission numérique
codes correcteurs d'erreur
égalisation
• Difficulté de prévoir la qualité d'une liaison radio en un point donné

=> qualité réseau mobile < qualité réseau fixe
=> marges
9
2.2. Couverture
Signal C
bruit propre du récepteur N

BS MS
R
Grandeurs principales
C : Puissance du signal utile
N : Bruit propre du récepteur
Seuil de fonctionnement : C/N minimum
Caractéristique fondamentale d'un récepteur : sensibilité S
Sensibilité S
niveau minimal S : S = (C/N)seuil + N.
Puissance d'émission + sensibilité détermine le rayon R de couverture.
10
2.3. Interférence co-canal
f1 Signal f1
utile pour Interférences Signal
mobile 1 pour mobile 1 utile pour
mobile 2
BS A MS 1 BS B MS 2
D
On utilise la même fréquence sur deux sites éloignés => interférences co-canal
Grandeurs principales
C : Puissance du signal utile
I : Ensemble des interférences (réduites souvent à l’interférence co-canal)
N : Bruit
Le rapport Signal sur Bruit s’exprime ici comme un rapport C/(I+N)
Du fait de la réutilisation des fréquences : N<<I
On parle couramment de rapport C/I
Chaque système a un certain C/I de fonctionnement
11
Principe de calcul de l'interférence co-canal
MS
∑ Ij est l'interférence co-

MS j J.
I canal
I C C
BS
MS I =
I ∑ Ij
j J.
MS
12
3. Concept cellulaire
3.1. Définition
Le territoire est divisé en "cellules", desservies chacune par une station de base,
l'ensemble de ces cellules formant un seul réseau.
L’opérateur affecte une ou plusieurs fréquences à chaque station de base. Les
mêmes canaux de fréquence sont réutilisés dans plusieurs cellules selon la
capacité du système à résister aux interférences.
Couverture d’une cellule isolée

• Dépend de la sensibilité (liée au rapport C/N tolérable)
• Dépend de la puissance d’émission
Couverture d’un réseau

• Dépend du seuil C/I
• Dépend de la distance de réutilisation (plus petite distance entre deux cellules de
même fréquence)
13
3.2. Motif de réutilisation dans un réseau régulier
Définition
Un motif cellulaire est l'ensemble des cellules dans lequel chaque fréquence de la
bande est utilisée une fois et une seule fois.
Avec le modèle hexagonal
On peut montrer que les motifs optimaux sont de taille K tel que :
K = i 2 + i j + j 2 avec i, j ∈ N
i = 0 : forme de losange
i ≠ 0 : invariant par rotation de 120°
Distance de réutilisation
La plus proche distance de réutilisation d'une fréquence est alors :
D = 3K R
où D est la distance de réutilisation
R , le rayon d'une cellule (cercle circonscrit à l'hexagone)
14
Exemple de motifs
Motif à K = 3 Motif à K =4 Motif à K =7

Il existe d'autres configurations régulières à K = 9, 12, 13, 16, 19, 21, 27, …
15
Exemple de répartition de 10 fréquences suivant un motif
3,6,9 1,4,7 2,5,8 4,8 1,5 4,8
1,4,7 2,5,8 3,6,9 1,4,7 3,7 2,6 3,7 2,6
3,6,9 1,4,7 2,5,8 1,5 4,8 1,5
1,4,7 2,5,8 3,6,9 1,4,7 2,6 3,7 2,6 3,7
3,6,9 1,4,7 2,5,8 4,8 1,5 4,8
10 9,10
Motif de taille 3 Motif de taille 4
16
3.3. Lien entre C/I et motif de réutilisation
Une interface radio est définie avec une certaine capacité à résister aux interférences :
C ≥ seuil => fonctionnement correct
I(+N)
Remarques
– Indépendance de la puissance de transmission (si toutes les puissances sont
égales)
– Le motif est seulement fonction du seuil de C/I
=> Notion de capacité intrinsèque d'un système
– Pour GSM, on considère un motif de référence à 12
17
1,0
0,9
0,8
0,7
K=12
0,6
P(C/I<seuil)
0,5
0,4
0,3
0,2
K=21
K=27
0,1
K=3 K=9
0,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
(sectorisation, meilleur serveur, voie descendante, alpha=3.5, corr=0,7) Seuil (dB)
α = 3,5 σ = 6 dB Taille des motifs : K (avec tri sectorisation)
fonction de répartition du C/I pour différents motifs
18
3.4. Planification non régulière
Taille des cellules fonction du trafic à écouler
zones à très zone

fort trafic péri-urbaine
zone rurale
(couverture)
=> Détermination des zones d’interférence et utilisation de la théorie des graphes
19
3.5. Bilan sur le concept cellulaire

Avantages :
• permet de desservir de façon continue un très large territoire,
• permet d'utiliser des puissances d'émission moins importantes,
• permet en diminuant la taille des cellules de réutiliser les fréquences à des
emplacements plus proches
=> augmentation de la capacité.
Inconvénients
• travail de planification fastidieux et délicat (fait par l’opérateur)
20
4. Caractéristiques d'une interface radio
4.1. Duplexage
deux sens de transmission sens descendant (downlink) (forward)
sens montant (uplink) (reverse)
FDD (frequency division duplex)
• sens montant et sens descendant sur des fréquences différentes
• bien adapté aux cellules de grande dimension
TDD (time division duplex)

• sens montant et sens descendant à des instants différents sur la même
fréquence
• possibilité d’allocation dissymétrique
• bien adapté aux cellules de petite dimension
21
4.2. Multiplexage
Techniques d'accès multiple
Répartition en fréquence (AMRF) : (frequency division multiple access: FDMA)
• un canal physique simplex : 1 fréquence
Répartition en temps (AMRT) : (time division multiple access: TDMA)
• un canal physique simplex : 1 slot (intervalle de temps) sur 1 fréquence
Répartition par les codes (AMRC) : (code division multiple access: CDMA)
• un canal physique simplex : 1 code
22
FDMA, Frequency Division Multiple Access
fréquence
1 canal physique
simplex
temps
partage de la ressource hertzienne en fréquences (ou porteuses)

1 utilisateur par fréquence (ou couple de fréquences)
1 canal physique simplex = 1 fréquence
23
TDMA, Time Division Multiple Access

Partage FDMA du spectre en porteuses
Partage TDMA d’une porteuse en intervalles de temps ou slots
fréquence
trame TDMA slot
porteuse
1 canal physique
simplex
temps
Les systèmes TDMA sont de fait FDMA/TDMA
24
Intérêt du TDMA
– Transmission 1 fois par trame
=> Temps disponible pour faire autre chose (surveillance stations voisines)
– Possibilité de débits différents (transmission pendant plus d'un slot par trame)
Problèmes liées au TDMA

– Augmentation du débit : Interférence entre symboles due aux trajets multiples
=> Egalisation
– Harmoniques dues à la transmission 1 fois par trame TDMA.
Ttrame (ex: 4,615 ms)
Période trame : 4,615 ms => fréquence 217 Hz
25
Exemples d'utilisation du TDMA

GSM : porteuses espacées de 200 kHz (modulation à 271 kbauds)
trame TDMA à 8 intervalles de temps (577 µs par intervalle de temps)
duplex de type FDD
DECT : porteuses espacées de 1,728 MHz (modulation à 1152 kbauds)
trame TDMA à 24 intervalles de temps (≈417 µs par intervalle de temps)
durée de garde ≈49 µs.
duplex de type TDD
26
CDMA, Code Division Multiple Access
Principe de l’étalement par séquence directe

bit chips
1 –1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1
0 +1 +1 +1 –1 –1 +1 –1 –1
f f
Pour un bit, transmission d’une séquence de chips de longueur n
• séquence propre à chaque utilisateur = multiplexage de codes
• tous les utilisateurs transmettent sur la même fréquence
• Exemple : 1 bit => 1 séquence de 64 chips

27
Etalement de spectre
Débit en bits : b bit/s (durée d’un bit Tb)
Rythme chips : nb chips/s (durée d’un chip Tc=Tb/n)
=> Etalement de spectre
0,9
0,8
0,7
Signal utilisateur
0,6
0,5
0,4
1/Tc 0,3
0,2
Signal étalé 1/Tb
0,1
0
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
28
Utilisation de codes orthogonaux
S1 –1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1
S2 –1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1
S3 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1
S4 –1 +1 –1 –1 –1 –1 +1 –1
∀i, ∀j, Si • Sj = 0 si i≠j Si • Si = n

Soit un utilisateur i, séquence binaire bi (kT ) ( bi (kT ) ∈{+1 ; − 1})
séquence de chips bi (kT )Si
A l'émission, transmission pour l'ensemble des utilisateurs de S( kT ) = ∑ b j( kT )S j

j
A la réception de l'utilisateur i, calcul de Si • S(kT )

soit Si • S( kT ) = ∑ b j( kT )Si • S j = bi( kT )n
j
29
Gain d’étalement
Raisonnement en puissance : Raisonnement en énergie :
• Puissance du signal reçu : C • Energie d’un bit : Eb
• Puissance du bruit et des • Densité spectrale de puissance : I0
interférences : I
• le taux d’erreur bit dépend du rapport Eb/I0

• grâce à l’étalement de spectre, on cumule l’énergie sur chaque chip composant le
bit
C = Ec/Tc I = I0* (1/Tc) donc C/I = Ec/I0
or Eb = n Ec donc Eb/I0 = n C/I

n est appelé gain d’étalement
Exemple
Seuil Eb/N0=6 dB, un étalement de 128 permet de fonctionner à C/I=-13 dB !
30
Intérêt du CDMA
Combiné avec l'utilisation de codes correcteurs, le CDMA permet d'avoir un très faible
C/I de fonctionnement.
=> Les mêmes fréquences peuvent être utilisées sur toutes les cellules : planification
simple
Problèmes :
Contrôle de puissance
Séquences pseudo aléatoires sur la voie montante
Interférences entre différents canaux dans une même cellule
Utilisation du CDMA
Système américain IS 95, UMTS
31
Exemples d’utilisation des techniques de duplexage et d'accès multiple
FDMA (FDMA-) (FDMA-) (FDMA-)

TDMA CDMA TDMA-CDMA
FDD AMPS, R2000, GSM UTRA-FDD

NMT, … CDMA 2000
TDD CT2-CAI DECT UTRA-TDD
UTRA = Universal Terrestrial Radio Access (interface radio UMTS)
32
5. Les fonctions cellulaires
5.1. Gestion de l'itinérance
Mise à jour de localisation et Paging

Deux principes de bases opposés pour appeler un abonné mobile
• émettre les appels sur toutes les cellules du système = paging
• connaître à tout moment la localisation du mobile grâce à une procédure de mise
à jour de localisation (location updating procedure)
–> possible grâce à une voie balise
Combinaison des deux méthodes : => zone de localisation (location area)
33
M.à.j. loc.
Paging Paging Paging
zone de
M.à.j. loc localisation
déplacement du mobile
message de signalisation `
Zone de localisation
Une Zone de localisation est un ensemble de cellules à l'intérieur duquel un mobile

peut se déplacer sans se signaler au réseau. Lorsque le mobile entre dans une
nouvelle zone de localisation, il le signale au réseau.
34
Gestion des abonnés
• le HLR (Home Location Register) ou enregistreur de localisation nominal :
– profil de l'abonné
identité, services souscrits, restrictions,…
– localisation (grossière) de l'abonné

numéro de VLR où se trouve l'abonné
• le VLR (Visitor Location Register) ou enregistreur de localisation d'accueil :
– liste des abonnés gérés par le VLR
– profil de chaque abonné géré par le VLR

identité, services souscrits, restrictions,…
=> image d'une partie du HLR (principe de la mémoire cache)
– zone de localisation de chaque abonné géré par le VLR

numéro de la zone de localisation où se trouve l'abonné
35
HLR
n°VLR
VLR
n°LA
MSC
VLR
MSC
MSC : Mobile-Services Switching Center (Commutateur de service mobile)

VLR : Visitor Location Register
HLR : Home Location Register
LA : Location Area, zone de localisation
36
Déroulement d'une mise à jour de localisation
Nécessité d'un canal en émission périodique avec identification de la zone de
localisation :
Voie balise (ou beacon channel, Broadcast Control Channel)
Phases :
- écoute d'une voie balise
- lecture de la zone de localisation
- comparaison avec la précédente zone mémorisé
Si la zone est différente :
- envoi d'un message de mise à jour de localisation
=> mise à jour des VLR et HLR (si nécessaire)
- retour sur la voie balise en attente de possibles appels
37
Conséquences de la gestion de l'itinérance

• augmentation considérable de la signalisation dans le réseau fixe
• base de données à intégrer dans le réseau
=> signalisation sémaphore CCITT n°7 et réseaux intelligents
38
5.2. Le handover
Principes généraux
• Mesures par le mobile sur la station de base courante et les stations de bases
voisines (niveau de puissance, d’interférences, etc.)
• Transmission régulière ou sur critère des mesures vers l’infrastructure
• Mesures par l’infrastructure
• Dès nécessité de faire un handover
- réservation des ressources par le réseau
- envoi de la commande de handover
39
Hard Handover
quelques centaines ms
Soft Handover
quelques secondes à ?
40
Hard-handover
• simplicité et faibles ressources consommées dans le réseau
• micro-coupure de la communication
• mobile pas toujours connecté à la meilleure cellule (hystérésis pour éviter un effet
ping-pong)
Soft-handover
• continuité de la communication (seamless handover)
- confort d’utilisation pour les communications vocales
- absence de perte d’information pour les transmissions de données en mode
circuit
- mais non utilisé dans le mode paquet (cf. IS 95 HDR, High Data Rate)
• Mobile est connecté à plusieurs stations de base :
- le mobile est connecté à la meilleure station de base même en cas de variation
rapide du signal
• Consommation de ressources dans le réseau d’accès
41
6. Système GSM
6.1. Objectifs de GSM

Situation initiale
– Grand nombre de standards incompatibles : AMPS, R2000, NMT, TACS, C-NETZ
– Service limité aux territoires nationaux et pas d'économie d'échelle pour les
constructeurs
Objectifs de GSM
Service de téléphonie mobile de voix et de données compatible avec les réseaux
fixes sur l'ensemble du territoire européen.
– Efficacité => transmission numérique
– Souplesse pour convenir aux zones rurales et urbaines
– Protection (confidentialité pour usagers et sécurité pour les opérateurs)
42
Interface radio
– bandes principales : 880-915 MHz et 925-960 MHz (2×35 MHz avec bande
étendue)
1710-1785 MHz et 1805-1880 MHz (2×75 MHz)
– découpage de la bande en FDMA/TDMA avec duplexage FDD
porteuses duplex espacées de 200 kHz avec 8 intervalles de temps (C/I seuil 9dB)
– puissances typiques d'émission des mobiles : en 900 MHz, 2 W
en 1800 MHz, 1W
– débit brut : 271 kbit/s
– interface radio élaborée
codage correcteur d'erreur, contrôle de puissance, saut de fréquence…
Réseau fixe
– utilisation de la signalisation sémaphore CCITT n°7
– utilisation des concepts de réseau intelligent
43
6.2. Services
– Services de téléphonie compatibles du RNIS (renvoi d'appel, double appel…)
– Appel d'urgence
– Transmission de données à au plus 14,4 kbit/s (en général 9,6 kbit/s)
– Service de message courts (160 caractères)
– GPRS : General Packet Radio Service
Réseau mobile de données par paquets avec débit jusqu'à 40 kbit/s
- EDGE : Enhanced Data rate for the Global Evolution
Augmentation des débits jusqu'à une centaine de kbit/s
Nouveautés de GSM
– Carte SIM (Subscriber Identity Module) matérialisant l'abonnement et
indépendante du terminal
=> on peut changer de réseau (en restant dans une réseau qui utilise la même
bande de fréquence) sans changer de terminal
– Sécurisation (imparfaite) du réseau
=> Intrusion difficile dans le réseau
=> Chiffrement des communications
44
6.3. Adressage/Numérotation
• MSISDN (Mobile Station ISDN Number)
numéro d’annuaire par lequel on appelle l’abonné mobile
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
identité utilisée par le réseau pour désigner l’abonné.
• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
identité temporaire allouée au mobile pour éviter le clonage et le pistage
45
6.4. Architecture
• MS : Mobile Station, terminal muni d’une carte SIM
• BTS : Base Transceiver Station, ensemble d’émetteurs-récepteurs gérant la

transmission radio
Possibilité de sectoriser : 3 cellules gérés sur un même site
• BSC : Base Station Controller, commutateur gérant la ressource radio (allocation
canal radio, décision du hand-over,…)
• MSC/VLR : Mobile-services Switching Centre, Visitor Location Register
commutateur téléphonique associé à une base de données qui gère les
communications sur une zone (correspondant à quelques centaines de cellules)
• HLR: Home Location Register, base de données contenant le profil et la
localisation grossière des abonnés, en général couplé avec l’AuC, Authentication
Center
• EIR: Equipment Identity Register, base de données des terminaux (liste noire ou
blanche)
46
BSS NSS
interface A HLR
BTS C MAP
BTS : Base Transceiver
A bis D Station
BTS BSC
MAP VLR BSC : Base Station
B Controller
P
BTS
S MSC : Mobile-services
MSC SSUTR2 T Switching Centre
E N
BTS G HLR : Home Location
BSC
MAP
SSUTR2
Register
VLR
BTS
VLR : Visitor Location
Register
MSC
circuits de parole canal sémaphore SS7
47
Mise à jour de localisation

• Aucune signalisation si le mobile change de cellule mais reste dans la même
zone de localisation
• Mise à jour locale au MSC/VLR si le mobile passe d’une zone de localisation à
une autre zone gérée par le même MSC/VLR
• Signalisation à travers le réseau coeur en cas de changement de MSC/VLR
• Allocation éventuelle d’un TMSI, Temporary Mobile Subscriber Identity
r HLR
j ou
s eà é
mi nn
an n
e bo
ed d' a
ul a
nd il
ma r of
tion
d e p
ie
op
pro
rec
ilf
MS BSS MSC/VLR ancien

MSC/VLR
déplacement du mobile
48
Mise en œuvre de l’appel sortant
• Identification du mobile par son TMSI
• Vérification locale au MSC/VLR du profil (et récupération du MSISDN)
• Traitement de l’appel comme un appel fixe-fixe (pas de pb de routage)
… … …
BSS MSC CAA
MS MSC/VLR
ou commutateur
transit
49
Mise en œuvre de l’appel entrant

• Transfert de l’appel vers le plus proche MSC de l’opérateur de l’abonné appelé
qui agit en tant que passerelle : GMSC, Gateway MSC.
• Consultation du HLR pour connaître la localisation de l’abonné mobile
• Allocation d’un numéro dont les premiers chiffres sont liés à la localisation du
demandé : MSRN, Mobile Station Roaming Number
• Problème d’effet trombone dans les appels internationaux
HLR
5
SI
3 2
IM
MS
4
IS
MS
RN
DN
RN
MS
7 6 1
TMSI MSRN MSISDN
MS BSS MSC/VLR GMSC CAA
50
7. Généralités sur GPRS
7.1. Contexte
• Forte utilisation des messages courts
mais limitation à 160 caractères sans compression
• Faible utilisation de la transmission de données en mode circuit
– débits limités, débit réel ≤ 7 kbit/s
– facturation (élevée) à la durée
• Trafic sporadique pour les applications de données

Consultation de bases de données, interactifs, …
• Besoin de débits instantanés importants mais débits moyens modérés
• Protocole réseau le plus répandu : IP, Internet Protocol
51
7.2. Principes généraux de GPRS
GPRS : General Packet Radio Service ≈ IP sur voie radio
• Réseau GPRS = réseau IP où l'abonné peut être mobile

Terminal GSM : adresse IP qui peut être allouée dynamiquement
• Accès paquet sur la voie radio à un débit inférieur ou égal à 171,2 kbit/s (au
mieux)
• Infrastructure : reprise du BSS mais pas du NSS
• Architecture en couches permettant une compatibilité avec de multiples
protocoles
IP V4, IP V6, X25
• GPRS n'est pas IP mobile car il définit un réseau particulier et des mécanismes
particuliers au sein de ce réseau
52
7.3. Services
• Service de transmission point à point (PTP, Point-To-Point)
PTP-CONS, PTP Connection Oriented Network Service
PTP-CLNS, PTP ConnectionLess Network Service
• Possibilité d’accès anonyme
• Service de messages courts
Dans une phase ultérieure

• Service de transmission point à multi-point (PTM, Point-To-Multipoint)
PTM-M, Point-To-Multipoint Multicast
PTM-G, Point-To-Multipoint Group
Qualités de service
• priorité
• fiabilité
• délai
• débit
53
7.4. Architecture physique de référence

• SGSN : Serving GPRS Support Node, Routeur IP gérant les terminaux pour une
zone
Equivalent du MSC dans l’architecture circuit
• GGSN : Gateway GPRS Support Node, Routeur IP s'interfaçant avec les autres
réseaux
Equivalent du GMSC dans l’architecture circuit
(mais on passe toujours par la passerelle)
54
SMS-GMSC ou
BSC MSC/VLR SMS-IWMSC HLR
Abis A
MS Gc
Gd EIR
Gb Gs
Gf
Gr
SGSN
Gn réseau de
Gi
Gn GGSN données
SGSN réseau X.25, IP, …
fédérateur = réseau PDP
GPRS
intra-PLMN Gp
signalisation et
transmission de données
GGSN
signalisation pure autre PLMN
(en ce qui concerne GPRS)
55
Principe généraux de l'architecture

• Les bases de données de GSM-circuit sont réutilisées (HLR, EIR)
• Evolution du réseau d'accès BSS
• Déploiement d'un réseau fixe spécifique : réseau fédérateur GPRS
• Le réseau fédérateur GPRS est un réseau IP
• Deux niveaux d'existence d'un terminal
– existence au niveau GSM : gestion de localisation par l'IMSI dans le HLR
– existence(s) au niveau PDP : adresse(s) PDP, qualité de service négociée,…
=> gestion d'un contexte
Etats d'un mobile

• Mobile non attaché au réseau GPRS <=> Mobile éteint
• Mobile attaché au réseau GPRS <=> Mobile localisé par le réseau
à la précision d'une zone de routage
d'une cellule,
• Mobile attaché avec contexte activé <=> Mobile existant au niveau du réseau
PDP
56
Fonctions des équipements
SGSN, Serving GPRS Support Node,
• Routeur IP commutant les paquets vers le BSS et vers le réseau fédérateur
• Gestion de l'itinérance des mobiles GPRS en visite,
Dialogue éventuel avec MSC/VLR pour gestion coordonnée de l'itinérance
• Gestion d'un contexte PDP permettant de mémoriser les paramètres réseaux
principaux du mobile
GGSN, Gateway GPRS Support Node,
• Routeur IP commutant les paquets vers le réseau fédérateur et vers le réseau
externe
• Gestion d'un contexte PDP permettant de mémoriser les paramètres réseaux
principaux du mobile
HLR, Home Location Register
• Profil GPRS de l'abonné identifié par son IMSI
• Localisation de l'abonné
57
Mise en tunnel
• Activation d'un contexte PDP
Le SGSN connaît le réseau PDP utilisé, l'adresse PDP du mobile, …
Le GGSN connaît l'adresse du SGSN où le mobile se trouve
• Les données venant des réseaux fixes sont encapsulées par le GGSN pour les
envoyer vers le SGSN.
BSC
MS décap-
SGSN sulation
tunnel
réseau de données
X.25, IP, …
réseau fédérateur GGSN

encap-
GPRS sulation
58
7.5. Evolutions de l’interface radio
• Un canal physique peut-être configuré dynamiquement soit en mode circuit, soit
en mode paquet
• Découpage d’un canal physique en blocs de 4 bursts (4 bursts = 1 unité de
données après codage correcteur)
• Partage d’un canal physique entre plusieurs utilisateurs, allocation définie par le
réseau
• Principe général d’accès dans GSM conservé
• Augmentation des débits par réduction du codage
59
Augmentation des débits par modification du taux de codage
Message Message
H H
données encodés données encodés
20 ms 20 ms
60
Augmentation des débits et couverture
• Réduction de la protection des données utilisateurs
• Débit fonction du C/I => Débit max non disponible sur toute la couverture
C/I fort C/I faible
56 kbit/s 30 kbit/s
• Développement de terminaux multi-slot

• Définition de nouvelles modulations pour GSM : E-GPRS
(EDGE, Enhanced Data Rates for the GSM Evolution)
61
7.6. EDGE
Enhanced Data rates for the GSM Evolution

• Utilisation d’une modulation plus efficace (8-PSK)
• Multiplication du débit par 3 mais sur une couverture plus réduite
(69,2kbit/s par intervalle de temps au lieu de 22,8)
• Débits prévus : jusqu’à 384 kbit/s pour piétons (microcellules) et véhicules lents
jusqu’à 144 kbit/s pour véhicules rapides
• EDGE est de plus en plus présenté comme la convergence entre IS 136 et GSM
62
8. Les systèmes de troisième génération
8.1. Convergence vers la troisième génération

• Vision initiale de la 3G
TETRA
TACS
NMT
3ème génération
R2000 GSM IMT2000
EDGE
TACS
AMPS IS-95 UMTS
CT 0 DECT BRAN
CT 1
WLAN
63
UMTS, un système universel de 3ème génération ?
UMTS : Universal Mobile Telephone System
• UMTS : solution européo-japonaise pour les systèmes 3G

- une interface radio basée sur le WCDMA avec du FDD : UTRA-FDD
- une interface radio basée sur le TDMA-CDMA avec du TDD : UTRA-TDD
• CDMA2000 : solution américaine dérivée d’IS-95
• UWC136 : évolution de GSM (EDGE, Enhanced data for the Global Evolution)
choisie par les opérateurs qui ont numérisé leur réseau analogique AMPS (D-
AMPS)
64
8.2. Services UMTS
Classification des services en fonction de la QoS
Conversationnel Interactif Streaming Arrière-Plan

(Background)
(délai<<1 s) (délai~1 s) (délai<10 s) (délai>10 s)
Tolérant aux Téléphonie et Messagerie Streaming Télécopie

erreurs Visiophonie vocal audio et Vidéo
Non tolérant Telnet, Jeux Commerce FTP, images Notification

aux erreurs interactifs électronique, fixes, d’arrivée de
Web messagerie courrier
unilatérale électronique
Source [22.105]
65
Exemples de services conversationnels et interactifs
Classe Application Symétrie Débit Délai de Variation Perte

bout en du délai d’info.
bout
CONVER Téléphonie Bi-directionnel 4-25 kbit/s <150 ms < 1 ms < 3% FER
(<400 ms)
SA Visiophonie Bi-directionnel 32-384 <150 ms < 1% FER
kbit/s (<400 ms)
TION Télémétrie Bi-directionnel 28,8 kbit/s <250 ms 0
NEL Telnet Bi-directionnel 1 kbit/s <250 ms 0
IN Messagerie Principalement 4-13 kbit/s <1 s (écoute) < 1 ms < 3% FER
vocale uni-directionnel <2 s (enreg.)
TER Consultation Principalement <4 s/page
web uni-directionnel
ACTIF Services de Bi-directionnel <4s 0
transaction
Source [22.105]
66
Exemples de services streaming
Classe Application Symétrie Débit Délai de Variation Perte

bout en du délai d’info.
bout
S Audio de Uni-directionnel 32-128 <10 s < 1 ms < 1% FER
T haute qualité kbit/s
R
E Vidéo Uni-directionnel 32-384 <10 s < 1% FER
A kbit/s
M
I Transfert de Principalement 28,8 kbit/s <10 s 0
N blocs de uni-directionnel
G données
Source [22.105]
67
8.3. Aspects architecturaux de la 3ème génération

Principes de base
• Séparation poussée entre réseau d’accès (UTRAN, Universal Terrestrial Access
Network)
et réseau cœur (CN, Core Network)
Dialogues « directs » entre le terminal et le réseau cœur pour l’établissement des

services : NAS, Non Access Stratum
Dialogues entre le terminal et le réseau d’accès pour l’établissement des
capacités de transmission (bearer) sur la voie radio et dans le réseau d’accès
• Réutilisation des réseaux cœurs GSM et GPRS

• Définition d’un nouveau réseau d’accès
• Définition d’une interface radio totalement nouvelle
68
Architecture physique du réseau d’accès
Node B RNC
Réseau
de transport MSC/VLR
Node B
RNC
Node B
• Node B : équivalent de la BTS
• RNC : équivalent du BSC
• Utilisation d’un réseau de transport dans le réseau d’accès : ATM dans un
premier temps, IP dans un second temps
69
Interfaces dans le réseau d’accès
Node B
Iub RNC
Iu
Iur
MSC/VLR
Node B
Iu
Iub RNC
Node B
• Interface Iub entre le Noeud B et le RNC
• Nouvelle Interface Iur entre les RNC (permet le soft-handover)
• Interface Iu entre le RNC et le réseau coeur
70
Réseaux coeurs et réseau d’accès
Réseau coeur
Circuit
EIR HLR AuC
RNC
Iur Iu-cs
Iub
Réseau coeur
RNC Paquet
Iu-ps
Iub
71
Réseaux coeurs et réseau d’accès
MSC VLR
Abis E G
GMSC
A PSTN
BSC MSC VLR
Abis
D
Gb F C
Gs HLR
H AuC
EIR
Gf
RNC
Iu-cs Gc
Iub Iur Gr
Gn
RNC
Iu-ps SGSN GGSN
Iub
72
8.4. Grande lignes de l'interface radio UMTS
UTRA = UMTS Terrestrial Radio Access
• UTRA-FDD :
– système CDMA à étalement de spectre
– sans multiplexage temporel
– duplexage fréquentiel (FDD, Frequency Division Duplex)
• UTRA-TDD :
– système CDMA à étalement de spectre
– avec multiplexage temporel
– duplexage temporel (TDD, Time Division Duplex)
• Débit chip de 3,84 Mchip/s dans une bande de 5 MHz

• Etalement variable de 4 à 512 en FDD et de 1 à 16 en TDD
• Pour 384 kbit/s en FDD, on utilise un étalement de 8
73
Principaux paramètres
Caractéristique UTRA-FDD UTRA-TDD

Multiplexage CDMA TDMA et CDMA
(FDMA inhérent) (FDMA inhérent)
Duplexage FDD TDD
Largeur de bande 5 MHz 5 MHz
Rapidité de modulation 3,84 Mchip/s 3,84 Mchip/s
Time slot 666,66 µs 666,66 µs
Etalement Orthogonal, Orthogonal,
de 4 à 512 chips/symbol de 1 à 16 chips/symbol
Modulation QPSK QPSK
Contrôle dyn. de puis. Oui Oui
Handover soft ou hard handover mobile assisted hard
(mobile assisted) handover
Allocation de canal --- DCA rapide et/ou lent
74
9. Bibliographie
[Lag] X. Lagrange, Réseaux radiomobiles, Collection IC2, Editions Hermès, 2000.
[Les] P. Lescuyer, UMTS : les origines, l'architecture et la norme, Editions Dunod, 2000, Paris.
[LGT] X. Lagrange, P. Godlewski, S. Tabbane, Réseaux GSM, Editions Hermès, 2000
[SaT] J. Sanchez, M. Thioune, UMTS : Services, architecture et WCDMA, 2ème édition, Editions Hermès,
2004.
[Tab] S. Tabbane, Ingénierie des réseaux cellulaires, Editions Hermès, 2002.
[Tab] S. Tabbane, Réseaux mobiles, Editions Hermès, 1997.
75

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Réseaux mobiles 2G et 3G

1. Réseaux cellulaires et systèmes sans fils .................................... 1

=> thème principal du cours

Systèmes sans fils => couverture d’îlots (moins complexe)

Fonctions essentielles dans un réseau radio-mobile

Itinérance internationale ou International Roaming : capacité à utiliser un autre

Mobilité radio : possibilité de déplacer le terminal en gardant la communication.

Caractéristiques des multitrajets

• Définition de réponses impulsionnelles typiques

signal signal fréquence

distance (échelle linéaire)

Moyenne locale sur

distance (échelle logarithmique)

Le modèle à trois étages

formule qui s’applique pour des antennes isotropiques (rayonnement uniforme

• Gain de parcours fonction de la distance r

• Le canal radio est un medium de transmission diffusif,

• Nécessité du chiffrement pour assurer une confidentialité

• Importance du traitement de signal :

• Difficulté de prévoir la qualité d'une liaison radio en un point donné

bruit propre du récepteur N

Principe de calcul de l'interférence co-canal

∑ Ij est l'interférence co-

Couverture d’une cellule isolée

Couverture d’un réseau

3.2. Motif de réutilisation dans un réseau régulier

Avec le modèle hexagonal

La plus proche distance de réutilisation d'une fréquence est alors :

Motif à K = 3 Motif à K =4 Motif à K =7

Exemple de répartition de 10 fréquences suivant un motif

3,6,9 1,4,7 2,5,8 4,8 1,5 4,8

1,4,7 2,5,8 3,6,9 1,4,7 3,7 2,6 3,7 2,6

3,6,9 1,4,7 2,5,8 1,5 4,8 1,5

1,4,7 2,5,8 3,6,9 1,4,7 2,6 3,7 2,6 3,7

3,6,9 1,4,7 2,5,8 4,8 1,5 4,8

Motif de taille 3 Motif de taille 4

α = 3,5 σ = 6 dB Taille des motifs : K (avec tri sectorisation)

fonction de répartition du C/I pour différents motifs

zones à très zone

=> Détermination des zones d’interférence et utilisation de la théorie des graphes

3.5. Bilan sur le concept cellulaire

TDD (time division duplex)

Répartition en fréquence (AMRF) : (frequency division multiple access: FDMA)

• un canal physique simplex : 1 fréquence

Répartition en temps (AMRT) : (time division multiple access: TDMA)

• un canal physique simplex : 1 slot (intervalle de temps) sur 1 fréquence

• un canal physique simplex : 1 code

partage de la ressource hertzienne en fréquences (ou porteuses)

1 canal physique simplex = 1 fréquence

TDMA, Time Division Multiple Access

Les systèmes TDMA sont de fait FDMA/TDMA

Problèmes liées au TDMA

Période trame : 4,615 ms => fréquence 217 Hz

Exemples d'utilisation du TDMA

Principe de l’étalement par séquence directe

Pour un bit, transmission d’une séquence de chips de longueur n

• séquence propre à chaque utilisateur = multiplexage de codes

• tous les utilisateurs transmettent sur la même fréquence