Les reseaux cellulaires

Les réseaux cellulaires
© F. Nolot
Introduction
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Introduction
Les réseaux cellulaires sont les réseaux dont l'évolution a probablement été
la plus spectaculaire
Cette technologie forme la base des systèmes de radiocommunication avec
les téléphones mobiles
Technologie développée pour améliorer les capacités du service de
téléphonie mobile
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Avant ce développement, ce service de communication ne fonctionnait que
par l'existence d'émetteur-récepteur à haute puissance
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Les réseaux cellulaires
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Le modèle
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Organisation des réseaux cellulaires
Le principe de fonctionnement repose sur l'emploi d'émetteurs de
faible puissance (100 W ou moins)
Chaque secteur géographique est découpé en petites zones
appelées cellules
Chaque cellule dispose de son propre émetteur-récepteur, souvent
appelé antenne, sous le contrôle d'une station de base
A chaque cellule est affecté une plage de fréquences
Des cellules voisines doivent utiliser des fréquences différentes
pour éviter d'interférer entre-elles
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Le modèle idéal de réseau cellulaire est un réseau hexagonal, afin
que la distance entre une antenne et toutes ces voisines soit la
même
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Cellules hexagonales
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Les fréquences ?
La puissance d'émission doit être réglée de façon très rigoureuse
afin d'éviter tout débordement sur un cellule voisine
L'usage veut qu'il ne soit pas réutilisé la même fréquence sur les
cellules voisines afin d'éviter tout problème d'interférences
Chaque cellule peut alors utiliser une bande de fréquence
découpée en plusieurs canaux
Un autre critère de conception important est celui de la distance
minimale devant séparer 2 cellules qui exploitent une même bande
de fréquences
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L'organisation des cellules aux fins de réutilisation des fréquences
peut suivre divers types de groupements appelés motifs
Si le motif retenu contient N cellules, chacune d'elles peut exploiter
K/N fréquences, avec K le nombre total de fréquences allouées au
système
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Exemple avec N=4
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Exemple avec N=7
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Augmentation des capacités
Avec le temps, le nombre d'utilisateurs augmente. Les fréquences allouées à
chaque cellule n'est donc plus suffisant
Plusieurs solutions sont alors possibles
Ajout de nouveaux canaux : tous les canaux ne sont pas toujours utilisés lors de la
mise en place d'une cellule. Certains canaux peuvent alors être rendu utilisable
Emprunt de fréquences : les cellules congestionnées empruntent des fréquences
aux cellules voisines, ce qui revient à élargir la bande de fréquences utilisées par
ces cellules
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Division de cellule : généralement, la taille d'une cellule est entre 6,5 et 13km.
Suivant la densité de la population, cette dimension est trop importante. Dans ce
cas, en diminuant la puissance d'émission des antennes, il est alors possible de
fabriquer des cellules plus petites (voir des micro-cellules). Malheureusement,
cela occasionne plus de transfert intercellulaire (ou handover)
Sectorisation de cellule : division d'une cellule en un certain nombre de secteurs
qui reçoivent chacun un sous-ensemble de canaux de la cellule. On utilise alors
des antennes directionnelles, orientées vers chacun des secteurs
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Les micro-cellules
Autre solution possible pour l'augmentation de la capacité d'une
cellule
On diminue la taille des cellules afin d'atteindre des tailles de
cellule comprises entre 0,1 km et 1 km
Ainsi, des antennes peuvent être placées sur un toit d'un petit
immeuble ou sur un réverbère pour couvrir des petites rues ou des
immeubles fortement habités
Une des caractéristiques typiques d'une cellule est l'étalement
moyen de délai : c'est le temps qui sépare l'arrivée du premier
signal et du dernier en raison de la propagation multitrajet
Les caractéristiques typiques
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des macro-cellules sont : rayon 1 à 20 km, puissance de 1 à 10 W, débit
bianire max. 0,3 Mb/s, étalement moyen de délai entre 0,1 et 10 µs
des micro-cellules sont : rayon 0,1 à 1 km, puissance 0,1 à 1 W, débit 1
Mb/s, étalement moyen de délai entre 10 et 100 ns
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Le fonctionnement
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Fonctionnement
Au centre de chaque cellule se trouve une station de base (ou BS :
Base Station), comprenant une antenne, un contrôleur et un certain
nombre d'émetteurs-récepteurs
Le contrôleur sert à la gestion du processus d'appel entre un mobile
et le reste du réseau
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Chaque station de base est connectée à un centre de commutation
de mobiles ou MTSO (Mobile Telephone Switching Office), gérant
plusieurs stations. Généralement, une station est connecté de
façon filaire avec un centre de commutation. Ce centre est
également connecté au réseau téléphonique public pour permettre
d'atteindre les abonnées du réseau fixe
Ce centre se charge de l'affectation des canaux voix pour chaque
appel, gère le transfert inter-cellule et l'enregistrement des
informations de facturation
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Les types de canaux
Entre une station et un mobile, 2 types de canaux sont utilisés
Des canaux de contrôle : sert à l'établissement et au maintien des
connexions (et communications) et à la mise en relation d'un mobile
d'une station avec la station de base la plus proche
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Des canaux de trafic : transportent les communications vocales et de
données
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Communication entre 2 mobiles (1/2)
Nous allons détailler le fonctionnement d'une communication entre
2 mobiles au sein d'un secteur contrôlé par un seul centre de
commutation
Initialisation d'un mobile: lorsque vous allumez votre mobile, celuici recherche le signal de contrôle d'appel le plus fort et sélectionne
un canal. Périodiquement, les stations émettent leur bande de
fréquences respective. Ensuite, une procédure de présentation (ou
handshake) a lieu entre le mobile et le centre de commutation afin
d'identifier le mobile et sa position géographique
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Appel initié par un mobile: Le numéro d'un abonné est émis sur le
canal de contrôle d'appel vers le centre de commutation qui luimême retransmet l'information à toutes ses cellules
Notification d'appel: chaque station émet sur son canal de contrôle
la notification d'appel
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Communication entre 2 mobiles (2/2)
Acceptation d'appel: Lorsque le mobile reconnaît son numéro sur le
canal de contrôle d'appel, il répond à la station de base associée
qui relaye le message au centre de commutation. Un circuit est
alors établi entre les 2 stations de base et le centre de
commutation sélectionne un canal de trafic disponible dans
chacune des cellules. Chaque station relaye l'information de canal
au mobile concerné qui se synchronise alors sur le canal de trafic
assigné
Communication active: les échanges de voix et donnée se font par
l'intermédiaire des stations et du centre de commutation
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Transfert intercellulaire: si un mobile change de zone lors d'une
communication active, le réseau se charge automatiquement du
transfert sans en avertir l'utilisateur et sans interrompre la
communication
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Autres fonctions
Blocage d'appel: si tous les canaux de trafic d'une cellule sont
occupés, au bout d'un certain nombre de nouvelle tentative, le
signal « occupé » est retourné à l'utilisateur
Terminaison d'appel: le centre de commutation est averti et les
canaux de trafic sont libérés
Abandon d'appel: Si pendant une communication, une station de
basse ne peut maintenir le niveau de puissance du signal requis,
elle abandonne le canal de trafic et en averti le centre de
commutation
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Appel entre mobile et poste fixe: le centre de commutation fait la
liaison avec le réseau téléphonique public. Il peut aussi joindre
d'autre centre de commutation par l'intermédiaire du réseau
téléphonique ou de lignes dédiées
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Le transfert intercellulaire (1/2)
Le transfert intercellulaire, appelé aussi handover, est la procédure qui prend
place lorsque le contrôle d'un mobile passe d'une station de base à une autre
Suivant les réseaux, différentes stratégies peuvent être prise en compte
Le réseau peut seul prendre la décision du transfert ou bien le faire de concert
avec le mobile
Dans tous les cas, les critères suivants sont évalués
probabilité de blocage d'appel: suite à une saturation de la cellule, le mobile est
transféré en raison de la gestion du trafic et non pas en raison de la qualité du
signal
les probabilités d'abandon d'appel, de terminaison d'appel, d'échec de transfert,
de blocage de transfert, de transfert
débit de transfert: nombre de transfert par unité de temps
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durée d'interruption: intervalle de temps lors d'un transfert, pendant lequel un
mobile n'est synchronisé avec aucune station de base
délai de transfert: distance parcourue par un mobile à partir du point où le
transfert doit se faire et celui ou il s'est fait
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Le transfert intercellulaire (2/2)
Le critère principal est la puissance mesuré du signal du mobile par
la station de base
L'instant du transfert est déterminé suivant diverses techniques
puissance relative du signal
puissance relative du signal avec un seuil: le signal doit être en dessous
d'un seuil et l'autre signal le plus fort des 2
puissance relative du signal avec hystérésis: la puissance reçue par la
nouvelle station doit être avec un écart donné avec la cellule actuelle
puissance relative du signal avec hystérésis et seuil: la puissance reçue
par la nouvelle station doit être d'un écart donné avec la cellule actuelle
et le signal actuel doit être sous un seuil
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technique prédictive: basé sur les valeurs de puissance future attendue
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Le contrôle de puissance
La puissance du signal doit être supérieure au bruit de fond pour permettre une
communication de qualité mais plus le mobile est éloigné de la station, plus le
signal s'affaiblit
Mais la puissance ne doit pas être trop importante afin d'éviter de perturber les
canaux voisins
Sur les réseaux utilisant CDMA (Code Division Multiple Access), il est souhaitable
d'uniformiser les puissances des cellules afin de répartir équitablement
l'allocation des fréquences aux utilisateurs
Pour résoudre ces problèmes, 2 techniques sont utilisées:
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contrôle en boucle ouverte: dépend uniquement du mobile. La station envoie un
signal (canal descendant) dit pilote et le mobile envoie un signal de puissance
équivalente à la station (canal montant). Les 2 signaux montant et descendant
sont alors à la même puissance
contrôle en boucle fermée: ajuste la puissance en fonction de mesure prise sur la
canal montant (mobile vers station), niveau de puisance, rapport signal sur bruit,
taux d'erreur binaire sur la station. Celle-ci prend alors les décisions d'ajustement
et les transmet via le canal de contrôle au mobile. Le mobile peut aussi donner
des informations à la station et la station ajuste sa puissance de transmission
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Le multiplexage CDMA
Le CDMA (Code Division Multiple Access) est une technique de
multiplexage employée en conjonction avec l'étalement de spectre
Soit au départ un signal qui possède un débit bianire D. Chaque bit
est subdivisé en un nombre k d'intervalles appelés chips selon une
séquence propre à chaque utilisateur et servant à identifier ses flux
Supposons k=6 et le code utilisateur <1,-1,-1,1,-1,1>. Quand A
veut émettre 1, il émet simple son code, c'est à dire 1,-1,-1,1,-1,1.
S'il veut émettre 0, il émet son complément, c'est à dire -1,1,1,1,1,-1
Comme le récepteur connaît les codes des utilisateurs, il est alors
en mesure de savoir qui a fait une transmission en effectuant
simplement l'opération
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code reçu x code utilisateur
Avec un résultat égal à 6 (ou -6), A a transmis 1 (ou 0), sinon cela ne
provient pas de A
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