Chap2 2G 3G

CHAPITRE 2
Deuxième et troisième génération de réseaux

mobiles
1 Introduction
Réseau 2G Réseau 3G
2 Equipements et fonctions dans 10 Architecture du réseau 3G

un réseau GSM
11 Interfaces dans le réseau
3 Sous système radio (BSS) UMTS
4 Handover dans le GSM 12 Bandes de fréquences
5 Bandes de fréquences 13 Handover en UMTS
6 Modulation 14 Techniques d’accès au réseau

utilisées en 3G
7 Techniques d'accès multiple
15 Duplexage
8 General Packet Radio Service
(GPRS) 16 Evolution de l’UMTS
9 Enhanced Data Rates for GSM 17 Conclusion

Evolution (EDGE)
Chapitre 2 : Deuxième et troisième génération de réseaux mobiles
1 Introduction
La téléphonie mobile est un domaine qui a connu de grandes évolutions. Tout a

commencé avec un réseau analogique qui a ensuite été numérisé et a connu un
énorme succès, mais pour assurer la continuité de l’amélioration des
performances des services de transmission de données et contourner les
problèmes liés aux débits, il a fallu approcher les performances des réseaux
ADSL. Pour cela, d’autres évolutions ont pris l’ascendant dans le marché
mondial.
Dans ce chapitre, nous allons étudier principalement la deuxième et la troisième

génération de réseaux mobiles (2G et 3G) et présenter leurs architectures ainsi
que les améliorations apportées à ces deux technologies au fil du temps.
Réseau 2G
Un réseau 2G est de type cellulaire, c'est-à-dire composé d’une multitude

d’émetteurs-récepteurs radio, chacun d’entre eux définissant une cellule, soit
une zone où le service 2G est accessible aux terminaux qui y sont présents.
Il a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles

et abonnés du réseau téléphonique commuté (réseau fixe). Il se distingue par un
accès spécifique appelé la liaison radio.
24
2 Equipements et fonctions dans un réseau GSM
Figure 2.1 : Architecture d'un réseau GSM.
Le réseau cœur assure principalement les fonctions de commutation et de

routage. Il est constitué des éléments suivants
2.1 Sous-système fixe (NSS)

Le sous-système réseau, appelé Network Switching Center (NSS), 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 utilisant une ou plusieurs des fonctions suivantes
chiffrement, authentification ou roaming [5].
Le NSS se compose essentiellement des entités suivantes
2.1.1 Centre de commutation mobile (MSC)
En anglais Mobile Switching Center, Ils sont des commutateurs mobiles

généralement associés aux bases de données VLR.
Le MSC assure une interconnexion entre le réseau mobile et le réseau fixe public.
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.
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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 offertes 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.
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.
2.1.2 Enregistreur de localisation géographique des abonnés (HLR)

C’est une base de données de localisation et de caractéristiques des abonnés.
Un réseau peut posséder plusieurs HLR (Home Location Register) 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.
Figure 2.2 : Schéma représentant les informations gérées par le HLR.
2.1.3 Centre d’authentification (AUC)
Il mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les
demandes de services et pour chiffrer (crypter) les communications. L’AUC
26
(Authentification Center) de chaque abonné est associé au HLR. Pourtant le HLR

fait partie du « sous-système fixe » alors que l’AUC est attaché au « sous-
système d’exploitation et de maintenance ». L’AUC avec l’IMSI et le MSISDN fait
partie des données clés insérées dans la carte SIM de chaque abonné [11].
2.1.4 Enregistreur de localisation des visiteurs (VLR)
Cette base de données ne contient que des informations dynamiques, Elle est
liée à un MSC. Il y en a donc plusieurs dans un réseau GSM. Elle contient des
données dynamiques qui lui sont transmises par le HLR avec lequel elle
communique lorsqu'un abonné entre dans la zone de couverture du centre de
commutation mobile auquel elle est rattachée. Lorsque l'abonné quitte cette zone
de couverture, ses données sont transmises à un autre VLR (Visitor Location
Register) ; les données suivent l'abonné en quelque sorte [12].
2.1.5 Enregistreur des identités des équipements (EIR)

L'EIR (Equipment Identity Register) est une base de données contenant les
identités des terminaux IMEI (International Mobile Equipment Identity). Elle peut
être consultée lors des demandes de services d'un abonné pour vérifier que le
terminal utilisé est autorisé à fonctionner sur le réseau. L’accès au réseau peut
être refusé parce que le terminal n'est pas homologué, qu'il perturbe le réseau
ou bien parce qu'il a fait l'objet d'une déclaration de vol [13].
2.2 Sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS)

Un Operation Support System ou un Operational Support System (abrégé en
OSS) est l'ensemble des composants opérationnels ou les systèmes
informatiques utilisés par un opérateur de télécommunications. Elle est
synonyme de maintenance opérationnelle dans le domaine des
télécommunications.
Le terme OSS est habituellement synonyme de systèmes de réseaux

informatiques qui comprennent : le réseau de télécommunications lui-même et le
maintien des processus tels que la maintenance du réseau [8].
Ils sont utilisés dans différents services tels que : le recensement, la

performance et qualité de service, la gestion des erreurs réseaux…
27
2.2.1 Operations and Maintenance Center (OMC) et le Network and

Management Center (NMC)
Deux niveaux de hiérarchie sont définis dans la norme GSM. Les OMC
(Operations and Maintenance Center) et le NMC (Network and Management
Center). 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. 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 [11].
3 Sous système radio (BSS)

Le sous-système radio BSS (Base Station Subsystem) 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. Le réseau d’accès radio est alors appelé GERAN.
3.1 Station de base (BTS)

La BTS (Base Transceiver Station) est un ensemble d’émetteurs-récepteurs
appelés TRX. La BTS a pour fonction la gestion des transmissions radios
(modulation, démodulation, égalisation, codage et correcteur d’erreurs).
La BTS gère la couche physique des réseaux. L’exploitation des données

recueillies par la BTS est réalisée par le BSC.
La BTS gère la couche liaison de données pour l’échange de signalisation entre

les mobiles et l’infrastructure réseau de l’opérateur.
La BTS gère ensuite la liaison de données avec le BSC.
On distingue deux types de BTS : les BTS dites « normales » et les micro-BTS
La capacité maximale d’une BTS est de 16 porteuses (limite technique rarement

atteinte pour des raisons de fiabilité). Ainsi une BTS peut gérer au maximum une
centaine de communications simultanées.
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Le rayon d’une cellule varie entre 200 mètres en milieu urbain et 30 kilomètres
en milieu rural. Une cellule est au minimum couverte par la triangulation de trois
BTS. L’exploitation de la BTS se fait soit en local soit par télécommande au
travers de son contrôleur de station (BSC) [11].
3.2 Contrôleur de station de base (BSC)
Le Base Station Controller (abrégé en BSC) gère les fréquences radio utilisées
par ses différentes stations BTS, ainsi que les fonctions d’exploitation et de
maintenance des stations de base qui sont télé-exploitées. Il assure de façon
autonome les transferts intercellulaires des stations mobiles qui circulent dans sa
zone de couverture [5].
3.3 Station mobile de l’utilisateur final (MS)

La MS (Mobile Station) est composée d’une part du terminal mobile et d’autre
part d’un module d'identité d'abonné (carte SIM).
3.3.1 Équipement mobile (ME)

Le terme équipement mobile désigne un terminal équipé d’une carte SIM.
Chaque ME (Mobile Equipment) reste muni d’une identité particulière IMEI. La
norme définit pour les terminaux plusieurs classes suivant leur puissance
maximale d’émission. En GSM 900, deux catégories, 2W en téléphone mobile
portable et 8W en téléphone mobile embarqué dans les véhicules. En DCS 1800,
de manière générale 1W pour l’ensemble des terminaux.
3.3.2 Carte SIM

C’est une carte à microprocesseur nécessaire à l’abonné GSM contenant toutes
les données concernant un abonné et notamment les processus d’authentification
et les informations relatives à l’abonnement. Elle contient l’International Mobile
Subscriber Identity (IMSI), qui sert à identifier l’abonné dans n’importe quel
système GSM, et les procédures de cryptographie qui sauvegardent le secret de
l’information de l’utilisateur.
IMSI est l’équivalent de l’adresse physique MAC de la carte SIM il présente

la structure suivante : MCC/MNC/MSIN où
o MCC = Mobile country Code : Indicatif du pays d'origine ;
o MNC = Mobile Network Code : Identifiant de l'opérateur du réseau ;
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o MSIN = Mobile Station Identification Number : Numéro de l’abonné.
Le tableau 2.1 donne les différents codes MCC et MNC utilisées en Algérie.
MCC MNC ISO Pays Réseau
603 01 Dz Algérie ATM-Mobilis
603 02 Dz Algérie Djezzy
603 03 Dz Algérie Ooredoo
Tableau 2.1 : Codes MCC et MNC de l’Algérie.
4 Handover dans le GSM

On peut caractériser un handover à partir des critères suivants
La technologie d’accès radio (RAT) et/ou la fréquence respective des

cellules source et cible ;
L’interruption ou non du lien radio lors de la bascule.
Ainsi, un handover entre deux cellules du même système sera dit intra fréquence
si les cellules sont portées par la même fréquence radio et inter fréquence dans
le cas contraire. On parle de handover inter-RAT ou inter système lorsque les
deux cellules appartiennent à deux systèmes différents. Les fréquences sont
alors nécessairement différentes.
Le second critère est moins évident. Si le lien radio sur la cellule source est
relâché avant l’établissement du lien radio sur la cellule cible, la bascule est
réalisée avec une interruption de la transmission sur l’interface radio entre l’UE
et le réseau. C’est le type de handover utilisé en GSM.
En GSM un handover est nécessairement inter fréquence puisque les cellules

voisines sont portées sur des fréquences différentes [4].
4.1 Handover inter et intra systèmes

Handover intra-cellule : à l’intérieur d’une cellule, dans le cas d’une
congestion dans une cellule.
Handover intra-BSC : entre deux cellules appartenant à la même BSC.
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Handover inter-BSC : entre deux cellules appartenant à deux BSC

différents.
Handover intra-MSC : le nouveau canal est attribué à la MS mais dans une

cellule gérée par un autre BSC, lui-même étant géré par le même MSC.
Handover inter-MSC : entre deux cellules appartenant à deux zones de

communications différentes (MSC).
4.2 Hard handover
Le hard handover se produit lorsque le canal radio de la cellule source est libéré
et le canal dans la cellule cible est engagé. Ainsi, la connexion à la cellule source
est rompue avant (ou au même moment) l'établissement de la liaison avec la
cellule cible. Cette méthode est appelée « break before make » (qui signifie «
rompre avant de faire »). Dans ce cas, il est important de minimiser la durée
d'interruption de la communication. Ce type de handover est utilisé dans les
réseaux mobiles GSM avec une durée d'interruption de quelques dizaines de
millisecondes [14].
Dans le handover Hard, nous avons :
Hard handover inter-fréquences : permet à un appareil mobile de passer

d'une fréquence à une autre ;
Hard handover inter-systèmes : permet à un appareil mobile de passer

d'un système à un autre [14] [15].
5 Bandes de fréquences
En Algérie, l’ARPCE (Autorité de Régulation de la Poste et des Communications
Électroniques) est chargée d’attribuer les licences d’exploitation des réseaux
publics de télécommunications cellulaires et de fourniture de services de
télécommunications au public.
L’opérateur ATM Mobilis, titulaire d’une licence GSM est autorisé à exploiter une
largeur de bande de 2 x 8 MHz, composée d’une bande inférieure pour les
communications des terminaux vers les stations de base et d’une bande
supérieure pour les communications des stations de base vers les terminaux,
séparées par un écart duplex de 45 MHz. La largeur de bande attribuée
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correspond à 40 canaux de 200 kHz selon la norme GSM. Les fréquences des
canaux attribués, exprimées en MHz, sont déterminées par les formules
(2.1)
Pour la bande inférieure (transmission mobile vers base).
(2.2)
Pour la bande supérieure (transmission base vers mobile).
“n” est le numéro du canal, compris entre 1 et 40 inclus.
Ces différents canaux sont disponibles sur l'ensemble du territoire national sous
réserve des contraintes de coordination aux frontières.
Le titulaire est également autorisé à exploiter une largeur de bande de 2 x 6 MHz

composée d’une bande inférieure pour les communications des terminaux vers
les stations de base et d’une bande supérieure pour les communications des
stations de base vers les terminaux, séparées par un écart duplex de 95 MHz. La
largeur de bande attribuée correspond à 30 canaux de 200 kHz selon la norme
GSM. Les fréquences des canaux attribués, exprimées en MHz, sont déterminées
par les formules
(2.3)
Pour la bande inférieure (transmission mobile vers base).
(2.4)
Pour la bande supérieure (transmission base vers mobile).
"n" est le numéro du canal, compris entre 1 et 30 inclus.
Ces différents canaux sont disponibles uniquement dans les agglomérations

urbaines (villes ou ensembles urbains de plus de 100 000 habitants) [16].
6 Modulation
Le réseau GSM utilise la modulation GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying) qui
est une forme évoluée de la modulation FSK ; elle et réalisée en faisant passer le
signal binaire, avant modulation, au travers d’un filtre passe-bas ; ce filtre
passe-bas remplace les fronts montants et descendants par une transition
progressive, ce qui diminue la largeur spectrale du signal modulé. Il en résulte
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que pour un même débit binaire, la modulation GMSK a comme avantage

d’occuper une largeur de bande moins importante que la modulation FSK
classique [8].
7 Techniques d'accès multiple

La bande de fréquence est une ressource rare qu’il faut partager entre tous les
utilisateurs. Il est donc nécessaire de transmettre simultanément sur un même
canal le plus grand nombre de messages possibles. On fait appel pour cela aux
différentes techniques de multiplexage
7.1 Accès multiple par répartition en fréquence (FDMA)

L'accès multiple par répartition en fréquence (ou AMRF, en anglais Frequency
Division Multiple Access ou FDMA) est une technique de contrôle d’accès au
support utilisée en téléphonie mobile. Il s'agit d'un découpage en bandes de
fréquences de manière à attribuer dynamiquement une partie du spectre à
chaque utilisateur. De cette manière, chaque utilisateur se voit attribuer une ou
plusieurs bandes de fréquences distinctes.
Nous pouvons schématiser ce multiplexage par la figure suivante
Figure 2.3 : Principe d’accès multiple par répartition en fréquence.
7.2 Accès multiple à répartition dans le temps (TDMA)

L’accès multiple à répartition dans le temps (AMRT), en anglais (time division
multiple access TDMA) est une technique de contrôle d’accès au support
permettant de transmettre plusieurs signaux sur un seul canal ou une seule
bande de fréquence. Il s’agit d’une division temporelle de la bande passante,
33
dont le principe est de répartir le temps disponible entre les différents

utilisateurs. Par ce moyen, une fréquence (porteuse) ou une longueur d'onde
peut être allouée à plusieurs abonnés simultanément.
Chaque porteuse (canal physique) supporte huit intervalles de temps (time slot)
attribués à huit communications, c’est-à-dire que 8 personnes utilisent la même
bande de fréquence, mais ils parlent l’un après l’autre. Un inconvénient de cette
technique est qu'il faut transmettre une synchronisation (horloge) qui soit la
meilleure possible pour que chaque utilisateur puisse récupérer ses données
reçues et en émettre sans interférence avec les autres abonnés.
Le GSM utilise le multiplexage TDMA auquel on ajoute la FDMA pour optimiser les
ressources fréquentielles ; ce type de multiplexage peut être schématisé par la
figure suivante où quatre canaux seulement ont été pris de toute la bande
passante [13]
Figure 2.4 : Principe d’accès multiple par répartition en temps.
8 General Packet Radio Service (GPRS)

L’implémentation du GPRS ne nécessite aucun changement sur le côté hard du
réseau GSM existant, à part l’introduction d’un équipement sur la BSC nommé
PCU (Packet Control Unit) qui se charge de la gestion de la transmission par
paquet.
L'intégration du GPRS dans une architecture GSM nécessite donc l'adjonction de

nouveaux nœuds réseau qui sont
34
SGSN : il envoie les paquets entrants et sortants de/vers un MS. Il fournit

aussi le chiffrement et l’authentification et la gestion des sessions. Il est
connecté au HLR, MSC, BSC (la BSC est connectée au SGSN via l’interface
Gb).
GGSN : est une passerelle s'interfaçant avec les autres réseaux de

données (internet). Le GGSN est notamment chargé de fournir une
adresse IP aux terminaux mobiles pendant toute la durée de la connexion.
Le module BG pour la sécurité : Il est défini comme un nœud de passerelle

permettant de relier un réseau GPRS à un réseau interconnectant différent
réseaux GPRS. Ces BG jouent le rôle d’interface avec les autres PLMN
(Public Land Mobile Network) permettant ainsi de gérer les niveaux de
sécurité entre les réseaux [11].
Figure 2.5 : Architecture du réseau GPRS.
9 Enhanced Data Rates for GSM Evolution (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.
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L'EDGE permet ainsi de multiplier par un facteur de trois le débit des données
avec une couverture plus réduite. Dans la théorie, EDGE permet d'atteindre des
débits allant jusqu'à 384 kbit/s pour les stations fixes et jusqu'à 144 kbit/s pour
les stations mobiles [17].
L’Evolved EDGE est une évolution de la technologie EDGE. Il permet de prendre

en charge des débits de données plus élevés, jusqu'à 1 Mbit/s et permet une
latence réduite à 80 ms. Ceci est obtenu grâce à un certain nombre
d'améliorations, notamment : réduction du temps de latence, prise en charge de
deux porteuses dans la liaison descendante, modulation de l'ordre supérieur
comprenant 16 QAM et 32 QAM, augmentation du débit symbole et diversité du
récepteur dans le mobile.
Les opérateurs de téléphonie mobile peuvent mettre à niveau leur réseau vers
cette évolution de l’EDGE grâce à des mises à jour logicielles.
Réseau 3G
La troisième génération (3G) désigne une génération de normes de téléphonie
mobile. Elle est représentée principalement par les normes Universal Mobile
Télécommunications System (UMTS) et CDMA2000. Ces caractéristiques sont
notamment les suivantes
Un haut débit de transmission (144 Kbps avec une couverture totale pour
une utilisation mobile, 384 Kbps avec une couverture moyenne pour une
utilisation piétonne et 2 Mbps avec une zone de couverture réduite pour
une utilisation fixe) ;
Compatibilité mondiale ;
Compatibilité des services mobiles de 3ème génération avec les réseaux

de seconde génération.
La mise en place d'un réseau UMTS permet à un opérateur de compléter son

offre existante par l'apport de nouveaux services en mode paquet complétant
ainsi les réseaux GSM et GPRS.
L'idée fondatrice du système 3G est d'intégrer tous les réseaux de deuxième

génération du monde entier en un seul réseau et de lui adjoindre des capacités
multimédia (haut débit pour les données) [18].
36
10 Architecture du réseau 3G
Le réseau 3G se compose principalement des éléments suivants
Le réseau cœur (CN) ;
Le réseau d’accès Radio (UTRAN) ;
Le terminal utilisateur (UE).
La figure suivante représente un schéma général de cette architecture
Figure 2.6 : Schéma général de l’architecture d’un réseau 3G.
10.1 Réseau cœur (CN)

Le réseau cœur (Core Network) est la partie du système UMTS chargée de la
gestion des services souscrits par l’abonné. Il permet de communiquer à
l’intérieur d’un même réseau de téléphonie mobile et assure l’interconnexion de
ce dernier avec des réseaux externes, fixes ou mobiles, numérique ou
analogique.
Le réseau cœur est composé de trois parties
Le domaine CS (Circuit Switched) utilisé pour la téléphonie ;
Le domaine PS (Packet Switched) qui permet la commutation de paquets ;
Les éléments communs aux domaines CS et PS.
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10.1.1 Domaine à commutation de circuits (CS)
Il Permet de gérer les services à temps réels dédiés aux conversations

téléphoniques (vidéo-téléphonie, Jeux vidéo, application multimédia). Ces
applications nécessitent un temps de transfert rapide. Lors de l’introduction de
l’UMTS le débit du mode domaine circuit sera de 384 Kbits/s. L’infrastructure
s’appuiera alors sur les principaux éléments du réseau GSM : MSC/VLR (bases
données existantes) et le GMSC afin d’avoir une connexion directe vers les
réseaux externes.
Le domaine CS est composé des éléments suivants
Le MSC ;
Le GMSC ;
Le VLR.
10.1.2 Domaine à commutation de paquet (PS)
Le domaine paquet permet de gérer les services en temps réels. Il s’agit

principalement de la navigation sur internet, et de l’accès et l’utilisation des e-
mails. Ces applications sont moins sensibles au temps de transfert, c’est la raison
pour laquelle les données transiteront en mode paquet. Le débit du domaine
paquet sera sept fois plus rapide que le mode circuit, environ 2Mbits/s.
L’infrastructure s’appuiera alors sur les principaux éléments du réseau GPRS :
SGSN (bases de données existantes en mode paquet GPRS, équivalent des
MSC/VLR en GSM) et le GGSN (équivalent du GMSC en GSM) qui jouera le rôle
de commutateur vers le réseau internet et les autres réseaux publics ou privés.
Le domaine PS est composé des éléments suivants
Le SGSN ;
Le GGSN.
10.1.3 Eléments communs

Ce sont des éléments partagés par le domaine de commutation de paquet et le
domaine de commutation de circuit, ces éléments sont
HLR.
L’EIR
38
L’AuC
10.2 Réseau d'accès radio (UTRAN)

Le réseau d’accès radio propose les fonctions permettant d’acheminer les
informations depuis l’utilisateur jusqu’au réseau cœur, Il est une passerelle entre
l'équipement usager et le réseau cœur via les interfaces « Uu » et « lu ».
Cependant, il est chargé d'autres fonctions telles que
Sécurité : Il permet la confidentialité et la protection des informations

échangées par l'interface radio en utilisant des algorithmes de chiffrement
et d'intégrité.
Mobilité : Une estimation de la position géographique est possible à l'aide

du réseau d'accès UTRAN.
Gestion des ressources radio : Le réseau d'accès est chargé d'allouer et de

maintenir des ressources radio nécessaires à la communication.
Le contrôle du Handover.
Le réseau d’accès UTRAN est composé de plusieurs éléments : une ou plusieurs

stations de base (appelées Node B), des contrôleurs radio RNC (Radio Network
Controller) et des interfaces de communication entre les différents éléments du
réseau UMTS.
La figure suivante illustre l’architecture d’un réseau UTRAN
Figure 2.7 : Réseau d'accès UTRAN.
39
10.2.1 Node B
C’est une antenne. Réparties géographiquement sur l’ensemble du territoire, les

Nodes B sont au réseau UMTS ce que les BTS sont au réseau GSM. Ils gèrent la
couche physique de l’interface radio.
Le Node B régit le codage du canal, l’entrelacement, l’adaptation du débit et
l’étalement.
Les Nodes B communiquent directement avec le mobile sous l’interface
dénommée « Uu ».
10.2.2 Radio Network Controller (RNC)
Le RNC est un contrôleur de Node B. Il est encore ici l’équivalent du BCS dans le
réseau GSM. Il contrôle et gère les ressources radio en utilisant le protocole RRC
(Radio Ressource Control) pour définir procédures et communication entre
mobiles (par l’intermédiaire des Node B) et le réseau.
Le RNC s’interface avec le réseau pour les transmissions en mode paquet et en

mode circuit.
Le RNC est directement relié à un Node B, il gère alors
Le contrôle de charge et de congestion des différents Node B ;

Le contrôle d’admission et d’allocation des codes pour les nouveaux liens
radio (entrée d’un mobile dans la zone de cellules gérées …).
Il existe deux types de RNC
Le Serving RNC qui sert de passerelle vers le réseau ;

Le Drift RNC qui a pour fonction principale le routage des données.
NB : L’ensemble des Node B et des RNC constitue l’équivalent de la sous

architecture BSS vue précédemment en réseau GSM. En réseau UMTS, on
parlera de sous architecture UTRAN.
10.3 Station mobile (MS)
L’utilisateur est équipé d’une station mobile (Mobile Station) qui est constituée
de
40
10.3.1 Équipement mobile (ME)
Les mobiles 3G ne seront plus de simples téléphones mais des terminaux

multimédias capables d’offrir simultanément des services de transmission de
données, d’audio et de vidéo en tout moment.
10.3.2 Universal Subscriber Identity Module (USIM)
La carte USIM assure la sécurité du terminal et la confidentialité des

communications. Des algorithmes de cryptage à clés publiques sont utilisés. Un
certain nombre de possibilités sont prévues pour les cartes USIM de troisième
génération. Par exemple, la détection des fausses stations de base, l’utilisation
de clés de cryptage plus longues (notamment pour le m-commerce) ou encore la
protection des données d’identité de l’abonné et de son terminal.
La carte USIM est l’équivalent en 3G de la carte SIM en 2G.
Figure 2.8 : Station mobile (MS).
11 Interfaces dans le réseau UMTS

Plusieurs types d’interfaces de communication coexistent au sein du réseau
UMTS
Uu : Interface entre un équipement usager et le réseau d’accès UTRAN.

Elle permet la communication avec l’UTRAN via la technologie CDMA.
Iu : Interface entre le réseau d’accès UTRAN et le réseau cœur de l’UMTS.

Elle permet au contrôleur radio RNC de communiquer avec le SGSN
41
Iur : Interface qui permet à deux contrôleurs radio RNC de communiquer.
Iub : Interface qui permet la communication entre un Node B et un

contrôleur radio RNC.
Ci-dessous un tableau récapitulatif de ces interfaces et leurs équivalents en

réseau GSM [19] [20].
Interface Equivalent
Localisation Brève description
en UMTS en GSM
UE-UTRAN Interface radio qui permet au

Uu mobile de communiquer avec Um
l’UTRAN.
UTRAN- Iu-CS permet au RNC de

A
Réseau Cœur communiquer avec le MSC/VLR
Iu
Iu-PS permet au RNC de
Gb
communiquer avec le SGSN
RNC-RNC Communication entre deux RNC

Iur notamment dans le cadre de la
procédure de macro diversité
Node B-RNC Communication entre Node B et

Iub Abis
RNC
Tableau 2.2 : Interfaces dans le réseau UTRAN.
12 Bandes de fréquences
En Algérie, ATM Mobilis, titulaire d’une licence 3G est autorisé à exploiter une
largeur de bande de 30 MHz (2 x 15 MHz), composée d’une bande inférieure
pour les communications des terminaux vers les stations de base et d’une bande
supérieure pour les communications des stations de base vers les terminaux,
séparées par un écart duplex de 190 MHz. La largeur de bande attribuée pour
chaque liaison correspond à 3 canaux de 5 MHz.
Ces différents canaux sont disponibles sur l’ensemble du territoire national sous
réserve des contraintes de coordination aux frontières.
42
Les fréquences des canaux attribués, exprimées en MHz, sont
1920-1935 pour la bande inférieure (transmission mobile vers base) ;
2110-2125 pour la bande supérieure (transmission base vers mobile) [21].
13 Handover en UMTS
13.1 Handover intra et inter systèmes
Une station mobile (MS) a déjà un canal radio dans une cellule (gérée par un
Node B et un RNC donnés) ; lorsque le signal reçu s'affaiblit, elle migre vers un
nouveau canal. Il existe alors six types de handover
Handover Intra-RNC : le nouveau canal "voix" est attribué à la MS dans la

même cellule ou une autre cellule gérée par le même RNC.
Handover Intra-MSC/VLR : le nouveau canal est attribué à la MS mais

dans une cellule gérée par un autre RNC, lui-même étant géré par le
même MSC/VLR.
Handover Intra-SGSN : en mode paquet (transfert de données), le

nouveau canal est attribué à la MS mais dans une cellule gérée par un
autre RNC, lui-même étant géré par le même SGSN.
Handover Inter-MSC/VLR : le nouveau canal est attribué dans une cellule

radio qui est gérée par un autre MSC/VLR.
Handover Inter-SGSN : en mode paquet, le nouveau canal est attribué

dans une cellule qui est gérée par un autre SGSN.
Handover Inter-System : un nouveau canal radio est attribué dans un

réseau mobile de technique différente du réseau auquel la MS était
connectée (par exemple handover entre un réseau GSM et un réseau
UMTS).
13.2 Soft Handover
Le soft handover a été en premier lieu utilisé dans les systèmes CDMA de
seconde génération. Il est donc aussi d’usage pour le système UMTS (qui repose
également sur un accès à répartition par les codes, ou CDMA).
43
Un soft handover survient entre deux cellules ou des secteurs qui sont supportés
par différents Node B d’un même contrôleur (RNC). L'UE transmet ses données
vers différents Node B simultanément et reçoit des données de ces différents
Node B simultanément.
Dans le sens descendant, les données utilisateur délivrés à l'UE sont émises par
chaque Node B simultanément et sont combinées dans l'UE. Dans le sens
montant, les données utilisateur émises par l'UE sont transmises à chaque Node
B qui les achemine au RNC où elles sont combinées.
Figure 2.9 : Soft Handover.
Dans le Soft Handover, nous y trouvons aussi le Softer Handover : c’est

lorsqu'un appareil mobile se trouve dans une zone de couverture commune de
deux secteurs couverts par la même station de base (Node B).
Figure 2.10 : Softer Handover.
44
13.3 Mécanismes de mobilité en mode connecté couramment

utilisés en 2G et 3G
Système Type de mobilité

considéré Intra-fréquence Inter-fréquence Inter-RAT
GSM (voix) Non applicable Hard handover Hard handover
GPRS/EDGE Hard handover

Non applicable Hard handover
(données)
Soft handover Voix : hard

UMTS (voix et et/ou hard handover
handover * Hard handover
données) Données : hard
handover *
* suivant la configuration du réseau et les choix de l’opérateur
Tableau 2.3 : Handover en GSM, GPRS/EDGE et en UMTS.
Figure 2.11 : Principes du soft handover et du hard handover.
14 Techniques d’accès au réseau utilisées en 3G
Les systèmes sans fil de troisième génération sont basés sur l'accès multiple à
répartition de code à séquences directes DS-CDMA (Direct Sequence Code
45
Division Multiple Access). Dans un système DS-CDMA, les usagers sont identifiés
par des codes pseudo aléatoires quasi-orthogonaux permettant théoriquement à
un très grand nombre d'abonnés d'accéder aux services simultanément (grande
capacité) tout en utilisant la totalité de la bande passante (haut débit).
14.1 Définition de la technique accès multiple par répartition en

code (CDMA)
La technique Code division multiple access (CDMA) ou accès multiple par

répartition en code (AMRC) en français est une technique d’accès basé sur la
répartition des codes qui permet aux utilisateurs de communiquer simultanément
dans la même bande de fréquence et cela en affectant à chaque utilisateur un
code unique qui est connu par le récepteur. Ces codes sont des séquences
pseudo aléatoires qui permettent l’étalement de spectre du message basse
fréquence, cela va réduire la puissance du signal émis qui sera comparable à la
puissance du bruit. Donc un récepteur qui ne dispose pas du code d’étalement ne
peut même pas capter un changement de puissance qui se traduit par un signal
émis [15].
Le principe est le suivant : une clé (ou code) correspond à chaque utilisateur, à
l’aide de cette clé, son message est codé avant d’être émis.
Figure 2.12 : Technique CDMA.
46
14.2 Principe de fonctionnement
Pour une transmission numérique, c’est possible d’envisager de permettre à N

voies d’effectuer la transmission de leur information d’une manière simultanée et
sur la même bande passante.
Les usagers qui ont accès au système peuvent échanger de données en continu
sur toute la bande de fréquence disponible. La distinction des N voies doit donc
être effectuée par l’utilisation des codes orthogonaux entre eux (codes dont
l’inter corrélation est nulle), on appelle les éléments de ces codes chips ou
bribes.
On obtient ainsi un multiplexage de codes par "étalement de spectre" : chaque

usager émet et reçoit à l’aide d’un code qui lui est propre, le code étale les
données à transmettre. Le débit du code est supérieur à celui des données.
Figure 2.13 : Principe d’utilisation des codes orthogonaux en CDMA.
Chaque récepteur fait l’opération de corréler les signaux multiplexés qu’il reçoit
avec la séquence convenue. De ce fait Il reconstitue donc les données qui lui
sont destinées, la corrélation de tous les autres signaux résultant du
multiplexage est nulle.
Les émissions résultantes aux autres utilisateurs sont considérées comme étant
un pseudo-bruit à large bande. Il existe deux principaux types de CDMA.
47
14.2.1 FH-CDMA (Frequency Hop)
Dans ce système, on fait de l’évasion de fréquence : le saut de fréquence revient

au fait que la fréquence porteuse de la transmission saute entre les canaux
disponibles dans la bande passante du spectre étalé. Ce système est similaire à
un multiplexage fréquentiel dans lequel l’attribution des fréquences varierait
rapidement.
14.2.2 DS-CDMA (Direct Séquence)
C’est à ce type de CDMA qu’on fait généralement appel quand on parle

d’étalement de spectre. Le message à transmettre est multiplié directement par
un code de nature pseudo aléatoire (pseudo-noise séquence).
L’étalement de spectre du signal codé vient du fait que la fréquence du code est
largement supérieure à la fréquence d’envoi des données.
Le système W-CDMA apporte, par rapport aux systèmes de deuxième génération

(GSM et EDGE) plusieurs avantages à savoir
Une plus grande bande passante disponible pour l’usager ;
Grande souplesse dans l’allocation des ressources nécessaires et dans le

déploiement du réseau ;
Simplicité de la planification cellulaire, car ce sont les séquences de codage

qui différencient les communications, et non pas les fréquences porteuses.
En plus de ces avantages on cite
Transmission efficace en mode paquet ;
Compatibilité avec les systèmes 2G et possibilité d’intégrer de nouvelles

technologies ;
Gain de traitement plus élevé ;
Possibilité de transmettre des services à haut débit ;
Meilleure performance pour détecter les trajets multiples ;
Support des deux modes de duplexage [19].
La figure ci-dessous représente une simulation Matlab du principe DS-CDMA
48
Figure 2.14 : Principe d'étalement du spectre.
14.3 Contrôle de puissance
Le contrôle de puissance dans tout système cellulaire basé sur CDMA joue un
rôle essentiel dans les performances du réseau en termes de couverture, de
capacité et de qualité de service. Au niveau de la BTS les puissances des signaux
reçus doivent être identiques, c’est pourquoi, il est nécessaire de contrôler la
puissance d’émission de chaque mobile.
En effet, l’intérêt du contrôle de puissance sera plus facilement apprécié lorsque

l’effet dit « proche-lointain » sera décrit. Étant donné que tous les utilisateurs
partagent la même bande de fréquences, chacun d’entre eux est considéré
comme un brouilleur en puissance, c’est-à-dire qu’un problème d’interférence
d’accès multiple pourra être considéré si les signaux étalés ne sont pas
orthogonaux.
En pratique, pour un système CDMA sans contrôle de puissance, la puissance du

signal de l’utilisateur le plus proche de la station de base serait plus importante
que celle de l’utilisateur le plus éloigné. Cette situation a pour effet que le signal
de l’utilisateur le plus proche éblouit le signal de l’utilisateur le plus loin vis-à-vis
de la station de base (le problème d’effet proche-lointain est inexistant dans la
voie descendante) [22].
49
15 Duplexage
Le duplexage permet de séparer les communications voies montante et
descendante. Pour le standard du 3GPP, il existe deux variantes majeures
15.1 Duplex à répartition en fréquence (FDD)

Le mode FDD (Frequency Division Duplex), utilise deux fréquences radio
distinctes pour les transmissions (Uplink / Downlink). Une paire de 60 MHz en
bande de fréquences est allouée pour ce mode.
15.2 Duplex à répartition dans le temps (TDD)

Le mode TDD (Time Division Duplex), utilise les mêmes fréquences radio pour les
transmissions (Uplink / Downlink). Deux bandes de fréquences lui sont allouées :
une bande de 20 MHz et une bande de 15 MHz.
Figure 2.15 : Représentation des modes FDD et TDD.
En TDD, une seule et unique fréquence est utilisée alternativement par les deux
voies de communications. Cette technique est la plus flexible lorsque le spectre
n’est disponible qu’en quantité limité. Par contre, en FDD, chaque sens de
communication (Mobile vers Réseau et Réseau vers Mobile) utilise une fréquence
particulière. Le mobile et le réseau peuvent donc transmettre simultanément.
[19]
16 Evolution de l’UMTS
La demande des consommateurs pour le réseau mobile existant nécessite une

augmentation de débits offerts. Les opérateurs ont donc pensé à d’autres
50
technologies beaucoup plus évoluées en termes de débits, nous parlons des

évolutions HSPA ou encore HSPA+.
16.1 High Speed Packet Access (HSPA)
L’innovation principale du HSPA concerne le passage d’une commutation circuit

sur l’interface radio, où des ressources radio sont réservées à chaque UE pendant
la durée de l’appel, à une commutation par paquets, où la station de base décide
dynamiquement du partage des ressources entre les UE actifs. L’allocation
dynamique des ressources est effectuée par la fonction d’ordonnancement ou
scheduling, en fonction notamment de la qualité instantanée du canal radio de
chaque UE, de ses contraintes de qualité de service, ainsi que de l’efficacité
globale du système. La commutation par paquets optimise ainsi l’usage des
ressources radio pour les services de données.
La modulation et le codage sont rendus adaptatifs afin de s’adapter aux

conditions radio de l’UE au moment où il est servi, les débits instantanés étant
accrus via l’utilisation de modulations à plus grand nombre d’états qu’en Release
99. La modulation 16 QAM est introduite pour la voie descendante en
complément de la modulation QPSK en vigueur en Release 99.
De même, la modulation QPSK est introduite pour la voie montante en

complément de la modulation BPSK utilisée en Release 99.
Enfin, un nouveau mécanisme de retransmission rapide des paquets erronés,

appelé HARQ est défini entre l’UE et la station de base, afin de réduire la latence
du système en cas de perte de paquets. Ces évolutions offrent aux utilisateurs
des débits maximaux de 14,4 Mbit/s en voie descendante et de 5,8 Mbit/s en
voie montante, ainsi qu’une latence réduite [4].
16.2 High Speed Packet Access + (HSPA+)

L’amélioration des débits et de la capacité est rendue possible par l’introduction
de nouvelles techniques. En voie descendante, la modulation 64 QAM est
désormais prise en charge, de même que la modulation 16 QAM en voie
montante. En complément, une cellule peut transmettre des données à un
utilisateur sur deux porteuses simultanément en voie descendante, à l’aide de la
fonctionnalité DC-HSDPA. Le spectre supportant la transmission n’est donc plus
limité à 5 MHz mais à 10 MHz. Les débits fournis à l’utilisateur sont
51
potentiellement doublés. De plus, la largeur de bande plus élevée permet au

système une gestion plus efficace des ressources spectrales.
La fonctionnalité MIMO (Multiple Input Multiple Output) est également introduite

pour améliorer les débits en voie descendante. Les utilisateurs always-on sont
mieux pris en compte via des fonctionnalités regroupées sous le terme de CPC
(Continuous Packet Connectivity). Le HSPA+ intègre enfin une option
d’architecture qui réduit la latence du système via la suppression du contrôleur
de stations de base pour les services de données. Les évolutions HSPA+
apportent ainsi des gains très significatifs en termes de débits, de capacité et de
latence et renforcent la pérennité des réseaux 3G [4].
17 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons traité les aspects théoriques de la technologie

historique (2G) ainsi que les avancées techniques de son évolution (3G).
Dans le chapitre suivant, nous allons étudier en détail le réseau 4G, son
architecture et ses nouvelles techniques de transmission.
52

Chap2 2G 3G

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CHAPITRE 2

Deuxième et troisième génération de réseaux

2 Equipements et fonctions dans 10 Architecture du réseau 3G

4 Handover dans le GSM 12 Bandes de fréquences

5 Bandes de fréquences 13 Handover en UMTS

6 Modulation 14 Techniques d’accès au réseau

9 Enhanced Data Rates for GSM 17 Conclusion

La téléphonie mobile est un domaine qui a connu de grandes évolutions. Tout a

Dans ce chapitre, nous allons étudier principalement la deuxième et la troisième

Un réseau 2G est de type cellulaire, c'est-à-dire composé d’une multitude

Il a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles

2 Equipements et fonctions dans un réseau GSM

Figure 2.1 : Architecture d'un réseau GSM.

Le réseau cœur assure principalement les fonctions de commutation et de

2.1 Sous-système fixe (NSS)

Le NSS se compose essentiellement des entités suivantes

2.1.1 Centre de commutation mobile (MSC)

En anglais Mobile Switching Center, Ils sont des commutateurs mobiles

Le commutateur est un nœud important du réseau, il donne un accès vers les

2.1.2 Enregistreur de localisation géographique des abonnés (HLR)

Figure 2.2 : Schéma représentant les informations gérées par le HLR.

2.1.3 Centre d’authentification (AUC)

(Authentification Center) de chaque abonné est associé au HLR. Pourtant le HLR

2.1.4 Enregistreur de localisation des visiteurs (VLR)

2.1.5 Enregistreur des identités des équipements (EIR)

2.2 Sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS)

Le terme OSS est habituellement synonyme de systèmes de réseaux

Ils sont utilisés dans différents services tels que : le recensement, la

2.2.1 Operations and Maintenance Center (OMC) et le Network and

Le NMC permet l’administration générale de l’ensemble du réseau par un contrôle

3 Sous système radio (BSS)

3.1 Station de base (BTS)

La BTS gère la couche physique des réseaux. L’exploitation des données

La BTS gère la couche liaison de données pour l’échange de signalisation entre

La BTS gère ensuite la liaison de données avec le BSC.

La capacité maximale d’une BTS est de 16 porteuses (limite technique rarement

3.2 Contrôleur de station de base (BSC)

3.3 Station mobile de l’utilisateur final (MS)

3.3.1 Équipement mobile (ME)

3.3.2 Carte SIM

IMSI est l’équivalent de l’adresse physique MAC de la carte SIM il présente

o MCC = Mobile country Code : Indicatif du pays d'origine ;

o MNC = Mobile Network Code : Identifiant de l'opérateur du réseau ;

o MSIN = Mobile Station Identification Number : Numéro de l’abonné.

MCC MNC ISO Pays Réseau

603 01 Dz Algérie ATM-Mobilis

603 02 Dz Algérie Djezzy

603 03 Dz Algérie Ooredoo

Tableau 2.1 : Codes MCC et MNC de l’Algérie.

4 Handover dans le GSM

La technologie d’accès radio (RAT) et/ou la fréquence respective des

L’interruption ou non du lien radio lors de la bascule.

En GSM un handover est nécessairement inter fréquence puisque les cellules

4.1 Handover inter et intra systèmes

Handover intra-BSC : entre deux cellules appartenant à la même BSC.

Handover inter-BSC : entre deux cellules appartenant à deux BSC

Handover intra-MSC : le nouveau canal est attribué à la MS mais dans une

Handover inter-MSC : entre deux cellules appartenant à deux zones de

4.2 Hard handover