Les Réseaux GSM et les différents générations

Les Réseaux GSM et les différents
générations
L.A.
Steffenel
Master 2 Professionnel STIC-Informatique
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Historique
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Les premiers réseaux téléphoniques cellulaires, connus sous le terme de
système de 1ère génération, utilisaient des canaux de trafic analogiques
Au début des années 80, le système de 1ère génération le plus répandu
en Amérique du Nord a été AMPS (Advanced Mobile Phone Service),
développé par AT&T
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2 bandes de 25 Mhz sont allouées à l'AMPS
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Une bande pour les transmissions des stations de base vers les
mobiles, l'autre pour les transmissions des mobiles vers les stations
de base
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Chacune de ces bandes est divisée en 2 pour encourager la
concurrence
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Chaque opérateur reçoit donc seulement une bande de 12,5 Mhz dans
chaque direction
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Les canaux sont espacées de 30 kHz, ce qui autorise un total de 416
canaux par opérateur
dont 21 sont dédiés au contrôle
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Caractéristiques Techniques
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Les canaux de contrôle sont des canaux de données opérant à
10 kbit/s
Les canaux voix transportent les communications par signaux
analogiques modulés en fréquence
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Bande de transmission de station de base: 869 à 894 MHz
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Bande de transmission du mobile: 824 à 849 MHz
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Espacement entre canaux montant et descendant: 45 MHz
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Largeur de bande d'un canal: 30 kHz
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Puissance maximale du mobile: 3 W
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Taille d'une cellule: 2 à 20 km
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Débit de transmission: 10 kbit/s
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Fonctionnement d'AMPS
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Chaque téléphone cellulaire AMPS inclut un module NAM
(Numeric Assignment Module) dans une mémoire en lecture
seule
Ce module contient le numéro de téléphone et le numéro de
série de l'appareil
A chaque mise en service du téléphone, ces informations sont
transmises au centre de commutation
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En cas de vol, le numéro de série sert à bloquer tout appel
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Le numéro de téléphone sert à la facturation des appels
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Déroulement d'un Appel
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L'abonné initie un appel en composant le numéro voulu et appuie sur la
touche d'envoi
Le centre de commutation vérifie les droits associés à l'utilisateur, à son
numéro de téléphone et au numéro de série de l'appareil (existence ou
pas du numéro de série dans la base de données des appareils volés)
Le centre envoie les canaux de trafic à employer pour l'envoi et la
réception
Le centre envoie un signal d'appel à l'appareil appelé. Toutes ces
opérations se font dans un délai de 10 s à partir de l'appel
Lorsque la personne appelée répond, le centre établit un circuit entre les
2 interlocuteurs et débute l'enregistrement des informations de
facturation
Lorsque l'un des interlocuteurs raccroche, le centre libère le circuit, les
canaux radios utilisés et met fin à l'enregistrement
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Les Canaux de Contrôle AMPS
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Chaque service AMPS inclut 21 canaux de contrôle montant et 21 canaux
descendant
Ces canaux servent à la transmissions de données numériques sous forme
de trames
Les messages montants (mobile vers station) contiennent des informations
comme l'origine, la réponse de notification et la confirmation d'ordre
Les messages descendants (station vers mobile) incluent les messages de
notification d'appel et d'assignation de fréquences. Ils informent également
sur l'état (inactif ou occupé) de la trame montante correspondante
Les informations de contrôle peuvent être transmises sur un canal voix
durant une conversation.
Le mobile ou la station de base insère alors une séquence de données en
désactivant la transmission FM du trafic voix pendant environ 100 ms. Ces
messages sont utilisés pour des notifications urgentes comme l'ajustement
de la puissance ou le transfert intercellulaire.
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Les Différents Types de Multiplexage
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FDMA – Multiplexage en fréquence
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Technique purement analogique
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Chaque utilisateur est alloué à une fréquence (porteuse)
différente
TDMA – Multiplexage temporelle
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Technique associée à FDMA
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Différents canaux sont multiplexés dans une seule fréquence par
la sous-division de celle-ci en créneaux
CDMA – Étalement en spectre (division par code)
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Tous les utilisateurs utilisent la totalité de la bande passante
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Ils sont différentiés grâce à des codes individuels
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Fonctionnement de FDMA
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Une bande de fréquence est allouée à chaque message
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Des filtres permettent la récupération du message
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Fonctionnement de TDMA
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Chaque correspondant ou message occupe la totalité de la
bande mais pendant un temps très court
Les échantillons issus d’un message sont intercalés avec ceux
des autres, un tri se fait à la réception
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Fonctionnement de CDMA
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Soit au départ un signal qui possède un débit binaire 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
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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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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.
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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La 2ème Génération
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La deuxième génération (2G) de téléphone cellulaires diffère de
la première génération essentiellement par le fait d'être un
réseau numérique (et non plus analogique)
Comme avant, une multitude de standards sont utilisés à
niveau mondial
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GSM (TDMA-based), standard originé en Europe mais utilisé
mondialement (estimations 82% des téléphones mobiles)
–
iDEN (TDMA-based), réseau propriétaire dans les USA et le
Canada
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D-AMPS, (TDMA-based), utilisé aux USA
–
cdmaOne, (CDMA-based), utilisé aux USA et dans une partie
d'Asie
–
PDC (TDMA-based), utilisé exclusivement au Japon
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Le réseau GSM
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La plupart des réseaux GSM utilise les bandes de 900 MHz ou
1800 MHz. Certains pays (Canada et USA) utilisent les
fréquences de 850 MHz et 1900 MHz
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L.A.
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Les fréquences de 400 et 450 MHz sont rarement utilisées,
notamment en Scandinave, car ces fréquences étaient utilisées
pour les réseaux 1G
La bande des 900 MHz utilise une fréquence ascendante entre
890–915 MHz, et 935–960 MHz pour la descendante. Ces
bandes de 25 MHz sont sous-divisées en 124 canaux, espacés
de 200 kHz. TDMA est utilisé pour permettre 8 canaux de voix
par canal de transmission.
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Authentification dans un Réseau GSM
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GSM inclut quelques systèmes de sécurité contre
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Utilisation d'une fausse identité
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Surveillance des communications sur un canal
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Surveillance du positionnement des dispositifs
Un dispositif GSM (Mobile System - MS) est la combinaison
d'un terminal (téléphone) et d'un module de sécurité (carte SIM,
fourni par l'exploitant du réseau), plus un peu de cryptographie
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Lorsqu'un appareil se connecte à un réseau, le MS est envoyé au
registre HLR (Home Location Register). Le HLR donne une
identité temporaire au dispositif pour se connecter au réseau
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En roamming, le MS est relayé vers le HLR d'origine, qui
s'accorde sur la facturation avec le réseau courant pour donner
l'identité temporaire
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Les Réseaux 2.5G
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Alors que le réseaux 2G ont été lancés au début des années
90, la démocratisation de la téléphonie cellulaire a obligé la
révision des standards afin de permettre la transmission de
données en commutation de paquets et d'augmenter les débits
de transmission
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CDMA 2000 – standard américain pour supplanter le système
CDMA-One. Permet des débits allant jusqu'à 140 kbits/s
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GPRS – première révision du standard GSM (1997). Associe
TDMA, FDMA et une découpe statistique des fréquences (SALOHA). Permet des débits allant jusqu'à 80 kbits/s
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EDGE – Évolution du standard GPRS (disponible depuis 2003).
Permet des débits jusqu'à 230 kbits/s
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Les Réseaux 3G
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CDMA-2000 est parfois considéré un réseau 3G, si on regarde
uniquement la partie du transfert de données
UMTS est l'évolution du GSM pour offrir des services 3G
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Utilisation de W-CDMA afin d'utiliser tout le spectre de la bande
passante
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Débits pouvant aller jusqu'à 14 Mbits/s (même si les utilisateur
obtiennent actuellement pas plus de 3 Mbits/s)
W-CDMA (wide CDMA) utilise deux canaux de 5MHz chacun
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Large spectre, parfois critiqué par certains pays (USA
notamment)
Migration facilité à partir des réseaux GSM, mais l'obtention des
licences pour les fréquences est un procès coûteux
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Le futur ?
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Déjà, des nouvelles extensions du standard UMTS visent des
débits encore plus élevés
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100 Mbits/s
Concurrence avec les WiMAX
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Évolution des réseaux WiFi
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Standard IEEE (IEEE 802.16e)
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Proposent une couverture bien plus élargie qu'un réseau WiFi
classique (1-10 km) à 70 Mbits/s
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