Générations de normes des réseaux mobiles

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Fidèles à notre plan initial, nous allons cette semaine évoquer les différentes générations de normes s’affiliant aux réseaux mobiles. Nous présenterons le GSM et l’UMTS, c’est à dire la 2G et le début de la 3G. Nous nous intéresserons ensuite à la 3G+ et à la 4G. La 3G+ démarre réellement le passage vers la transmission de données et donc l’intégration des réseaux de mobiles aux réseaux Internet.

Petit historique:

Les communications entre utilisateurs mobiles se développent rapidement aujourd’hui et représentent un énorme marché pour cette première décennie du XXIème siècle. Quatre générations de réseaux mobiles se sont succédé, qui se distinguent par la nature de la communication transportée :

  • 1G : communication analogique
  • 2G : communication numérique sous forme circuit : cette technique a été abandonnée car le gros défaut de la commutation circuit est la monopolisation d’un circuit lors d’une liaison logique et ce même s’il n’y a pas de transfert de données (il existe en moyenne plus de 60% de blancs lors d’une conversation).
  • 3G : communication sous forme paquet (sauf la parole téléphonique) : avec cette technique, on découpe les données à transmettre afin d’en accélérer le transfert.
  • 4G : communication multimédia sous forme paquet à très haut débit.

Pour résumer, les services fournis par la première génération de réseaux mobiles sont quasi inexistants en dehors de la téléphonie analogique. Son succès est resté très faible en raison du coût des équipements, qui n’ont pas connu de miniaturisation. La deuxième génération est passée au circuit numérique. La suivante repose sur la technologie paquet mais garde le circuit pour la parole. Enfin, la quatrième génération est totalement paquet et ressemble à un réseau Internet hertzien.

La 2G:

La 2G ou GSM représente réellement le démarrage des réseaux mobiles. Nous détaillerons l’architecture de ce système car elle a été reprise par les générations suivantes sous une terminologie en grande partie différente.

Architecture:

Chaque cellule dispose d’une station de base, ou BTS (pour Base Transceiver Station), qui assure la couverture radio. Une station de base comporte plusieurs porteuses, qui desservent les canaux de trafic des utilisateurs, un canal de diffusion, un canal de contrôle commun et des canaux de signalisation. Chaque station de base est reliée à un contrôleur de station de base (ou BSC pour Base Station Controller). Le BSC et l’ensemble des BTS qui lui sont raccordés constituent un sous-système radio, ou BSS (pour Base Station Subsystem). Les BSC sont tous raccordés à des commutateurs du service mobile, appelés MSC (Mobile Service Switching Center), chargés du routage dans le réseau et de l’interconnexion avec les autres. Les MSC sont reliés eux mêmes au système téléphonique fixe de l’opérateur (PSTN). On utilise un protocole d’accès multiple à répartition dans le temps (AMRT ou TDMA) ou en fréquence (FDMA) pour permettre à plusieurs utilisateurs d’être connectés sans saturer le réseau.

"GSM network"Architecture globale du GSM

En pratique, si l’on reçoit un appel d’un poste fixe, celui-ci sera acheminé jusqu’au MSC puis transmis à la BSC et enfin à la BTS sur laquelle l’utilisateur est connecté. Il y a environ 30,000 BTS pour un opérateur en France. Lors d’une réception d’appel, il est nécessaire de savoir sur quelle BTS le terminal est “connecté”. Afin de transférer l’appel vers le bon commutateur (MSC), une base de données (nommée VLR) est associée à chaque commutateur MSC. Ainsi, si l’on appelle, on cherche dans quelle VLR/MSC le terminal est enregistré. Le MSC soumet ensuite l’appel à la BSC et une procédure de recherche (nommée paging) permet de définir avec exactitude les BTS avec lesquelles il est possible de communiquer.En ce qui concerne l’enregistrement au niveau de la VLR, si le mobile est allumé, il communique périodiquement avec la BTS. Si celui-ci est éteint, le VLR conserve sa position.

Une autre base de données existe, elle s’appelle la HLR (pour Home Location Registry); elle constitue un espace protégé, qui contient toutes les informations du mobile et du client (numéro de mobile, numéro de la carte SIM, le téléphone, …) et qui pointe vers la MSC où le terminal est enregistré. Ainsi, quand on reçoit un appel, la première étape consiste à lire au niveau du HLR dans quelle VLR le mobile a été “vu” pour la dernière fois.

Prise en compte du VLR et HLR

La mobilité dans les réseaux 2G:

La mobilité est une notion essentielle des réseaux de mobiles. Elle donne, comme on l’a vu dans notre précédent article, la possibilité de se déplacer dans la zone de couverture sans que la communication soit coupée, et donc de changer de cellule, voire de réseau.
La gestion de la mobilité revêt deux aspects :

  • La gestion de la localisation, qui permet au réseau de connaître à tout instant l’emplacement du terminal, des utilisateurs et du point d’accès au réseau avec suffisamment de précision pour acheminer les appels aux utilisateurs appelées là où ils se trouvent.
  • Le transfert intercellulaire (handover – <a > cf. article 1 </a>), qui, comme on l’a vu, permet d’assurer une continuité des appels lors d’un changement de cellule.

La mobilité requiert une gestion qui s’effectue généralement à l’aide des deux bases de données VLR et HLR mentionnées ci-dessus, le VLR (Visitors Location Register), gérant le client là où il se trouve.
Pour résumer, le GSM a connu un énorme succès et a permis de susciter le besoin de téléphoner en tout lieu avec la possibilité d’émettre des mini-messages.
Devant un tel succès, il a fallu proposer de nouvelles fréquences aux opérateurs pour acheminer toutes les communications, et de nouveaux services sont aussi apparus, comme le MMS. Le débit de 9.6 kbit/s proposé par le GSM était également insuffisant, et de nouvelles techniques de modulations et de codages ont permis d’accroitre le débit; en outre, les premières connexions IP sont apparues (GPRS, EDGE).

Les années 2000 :

L’évolution de normes de téléphonie vers la troisième génération s’appuie essentiellement sur l’amélioration de solutions techniques fondées sur le réseau fixe du GSM que nous avons présenté en détail dans la partie précédente. Elle est représentée principalement par les normes de l’UMTS (crée à partir d’un regroupement d’organismes de normalisation régionaux) et CDMA2000, permettant des débits bien plus rapides (384 kbit/s en moyenne contre 9.6 kbit/s concernant la 2G). Le passage de la 2G à la 3G est néanmoins davantage perceptible dans la famille CDMA/CDMA2000 que dans la famille GSM/UMTS.
Les premières applications grand public de la 3G sont l’accès à Internet, le visionnage de vidéos voire d’émissions de télévision et la visiophonie.Cette évolution consiste simplement en la migration de technologies propres à la 2G vers de nouvelles technologies 3G. Par exemple, on peut citer la technologie PDC (pour Personal Digital Cellular), technique basée sur le TDMA, qui, omniprésente dans la téléphonie mobile de seconde génération, s’est vue remplacée par le CDMA.

Quelle différence ?

TDMA est un mode de transmission numérique sans fil qui permet à un grand nombre d’utilisateurs de transmettre sur le même canal. On utilise pour cela le multiplexage temporel, dont le principe est de découper le temps disponible entre les différentes connexions utilisateurs. Par ce moyen, une fréquence peut être utilisée par plusieurs abonnés simultanément. 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.

CDMA est différent de TDMA/FDMA en cela qu’il n’attribue pas de fréquence ou de temps dans les emplacements des utilisateurs, mais donne droit à utiliser à la fois à tous les utilisateurs simultanément. Pour ce faire, il utilise une technique connue sous le nom d’étalement de spectre. En effet, chaque utilisateur se voit attribuer un code récupérable pour le récepteur.L’utilisation de cette technologie ainsi que la prise en compte des migrations GSM vers E-GPRS, IS 136 vers UWC-136 etc… ont rendu possible une plus rapide transmission des données, incluant le streaming de vidéos et une rapidité accrue en upload/téléchargement.

Vers la 3G+ – 4G :

Si les premières générations de réseaux de mobiles se préocuppaient en priorité de la téléphonie, l’avènement de la 3G+ et 4G ont totalement changé la donne. Avec ces deux nouvelles normes, l’important devient la transmission de données et l’intégration des réseaux de mobiles dans l’environnement IP. En particulier, la 4G marque la convergence totale avec le réseau Internet fixe; les clients ne verront plus aucune différence entre une connexion mobile et une connexion fixe (arrivée début 2013 en France).On considère souvent, et à raison, que la génération 3G+ correspond aux hauts débits de données, c’est à dire de plus de 1 Mbit/s. La 3G+ introduit une véritable rupture avec le standard LTE au niveau de l’interface radio puisque le CDMA est abandonné pour être remplacé par l’OFDMA.

OFDM pour les nuls :

Voici un petit exemple qui illustre cette technique de répartition des données.” Supposons que nous souhaitions transporter une cargaison de verres d’un point A à un point B. Les verres sont rangés dans des cartons de taille identique, dans chaque carton on peut mettre 1 à 6 verres.

On nous propose deux options :

  1. transporter notre cargaison dans un véhicule de 10 m de large, 10 m de long
  2. transporter notre cargaison dans 10 véhicules de 2 m de large, 5 m de long, chaque véhicule empruntera un chemin.

Supposons de plus, que notre concurrent place 3 objets sur le parcours (trous, barre de fer, …). Dans le cas de l’option 1, les 3 objets déposés par notre concurrent abîmeront la cargaison en entier. La cargaison subira 3 impacts, elle sera donc dégradée. Dans le cas de l’option 2, si le concurrent a placé les 3 objets sur 3 routes différentes, sept cargaisons arriveront intactes au point B et 3 cargaisons arriveront légèrement détériorées (moins abîmées que dans l’option 1).”

L’OFDM permet donc de transporter les données (ici le verre) entre deux points en utilisant des fréquences (routes) pour ne pas dégrader entièrement le message (la cargaison entière).
Le LTE regroupe un bloc de données à transmettre en 12 bandes de 15 kHz (technique OFDM). Un bloc élémentaire en LTE utilise donc un spectre de 12*15kHz=180 kHz. On appelle Bloc Ressource ou RB, les 12 bandes de 15 kHz.La norme LTE-Advanced, (aussi denommée 4G) permet d’améliorer les performances d’une communication radio-mobiles comparativement à la 3G notamment en terme de :

  • Débits (montant et descendant)
  • Interactivité : réduction de la latence
  • Meilleure efficacité spectrale : L’opérateur peut couvrir une plus grande densité de population en exploitant une bande de fréquence identique à la 3G.
  • Optimisation automatique du réseau : Les équipements 4G se configureront automatiquement pour améliorer la qualité de service offerte au particulier.

Devant l’extrême popularité du Wi-Fi, nous dédierons notre prochain article à la présentation de cette technologie, en faisant le point sur les notions de normes, protocoles associés et modes de mise en réseau.
Merci de votre lecture ! N’hésitez pas à mettre en commentaires vos retours et suggestions concernant cet article.

Rédacteurs
DEPERIERS Vincent et EON Kevin élèves à l’École Centrale de Nantes, encadrés par SERVIERES Myriam, Maître de Conférences à l’École Centrale de Nantes.

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