DEVELOPPEMENT D’UNE APPLICATION MOBILE POUR LE MONITORING DE LA QUALITE DE SERVICE DES RESEAUX 2G, 3G ET 4G

EVOLUTION DES RESEAUX CELLULAIRES 

 Le réseau cellulaire est un réseau de communication spécialement dédié aux équipements mobiles. C’est l’onde radio qui permet de lier chaque abonné à l’infrastructure de l’opérateur et aussi le lien entre chaque abonné [2]. Un réseau de téléphonie mobile a une structure « cellulaire » qui permet de réutiliser de nombreuses fois les mêmes fréquences ; il permet aussi à ses utilisateurs en mouvement, de changer de cellule sans coupure des communications en cours. Le but de ce chapitre est d’expliquer et de montrer les caractéristiques et les principes des réseaux cellulaires afin de mieux comprendre leurs fonctionnements. Tout au long de ce chapitre nous expliquerons le concept de base des réseaux cellulaires. Ensuite nous découvrirons les étapes de l’évolution des différentes technologies utilisées dans ce concept allant de la première à la quatrième génération. Et pour finir, nous ferons une comparaison entre ces technologies afin d’en ressortir les caractéristiques de chacune d’elles. 

 Le concept cellulaire 

Principe

 Dans un réseau cellulaire, le territoire est divisé en cellule, chacune de ces cellules est desservie par une station de base et l’ensemble de ces cellules forme un seul réseau. Chaque cellule sera affectée par une ou plusieurs fréquences radio [3]. Graphiquement, on représente une cellule par un hexagone car cette forme approche celle d’un cercle. Cependant, en fonction de la nature du terrain et des constructions, les cellules n’ont pas une forme circulaire. De plus, afin de permettre à un utilisateur passant d’une cellule à une autre de garder sa communication, il est nécessaire que les zones de couverture se recouvrent de 10 à 15%, ce qui renforce la contrainte de ne pas avoir une même bande de fréquences dans deux cellules voisines car en effet ce concept se base surtout sur le fait que les fréquences sont réutilisées dans plusieurs cellules selon la capacité du système aux interférences. Cette réutilisation dépend d’un éloignement minimum entre deux cellules, cet éloignement minimum se calcule en fonction du diamètre de chaque cellule [3]. Remarque : La taille de la cellule est variable selon le relief et la densité des abonnés. 3 Figure 1.01 : Représentation du territoire en cellule 

 Caractéristique d’une cellule

Le motif cellulaire 

C’est l’ensemble des cellules dans lequel chaque fréquence de la bande est utilisée une seule fois. On peut montrer que les motifs optimaux ont de taille K tel que [4]. Il représente le plus petit groupe de cellules contenant l’ensemble des canaux radios une et une seule fois. Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir. K = ⅈ 2+j 2+𝒊𝒋 Avec : 𝒊 représente le nombre de cellule à parcourir dans le sens 45° et 𝒋 représente celui dans le sens 90° avant d’atteindre une cellule utilisant la même fréquence dans un second motif. C’est cette distance que l’on appelle distance de réutilisation qui se calcule par la formule [4]. 𝐷 = √3𝑘*R Avec R le rayon de la cellule Figure 1.02 : Motif cellulaire à 7 cellules 

 Antenne cellulaire et seuil de couverture 

Chaque cellule est desservie par une Station de base, ces stations de base sont équipées d’antennes. Ces Antennes déterminent aussi l’aspect d’une cellule, il existe deux types d’antenne pour les stations de bases : Les Antennes Omnidirectionnelles et les Antennes Sectorielles [3]. Le Seuil de couverture est une zone où, en tout point, la puissance du signal reçue n’est supérieure à la sensibilité du récepteur pour ceci afin que la qualité des signaux reçus soit acceptable. Cellules omnidirectionnelles Cellules sectorielles Figure 1.03 : Cellules à antennes sectorielles et omnidirectionnelles 

 Rapport signal sur interférence

Il est important de noter que dans la propagation des ondes radio, il y a toujours les éléments perturbateurs, ce sont les interférences. Elles peuvent être causées par de nombreux facteurs, on peut voir plusieurs types d’interférence comme [4]: – L’interférence co-canal : Dans un réseau cellulaire, deux BTS peuvent utiliser la même fréquence, une interférence peut alors être engendré par ce fait, c’est l’interférence cocanal. – L’interférence sur canal adjacent : Deux équipements peuvent aussi utiliser des fréquences adjacentes, cela peut aussi engendrer une interférence. – Les bruits de fond du récepteur [4]. Si dans le cas idéal, où toutes les cellules sont identiques, de motifs réguliers et émettant avec la même puissance P, le rapport signal sur interférence est donné par [4]: 5 Où : 𝐼𝑘 : Représente l’interférence causée par la cellule co-canal 𝑘. 𝑁 : Représente le nombre total de cellules co-canal. Si le milieu de propagation est caractérisé par un coefficient de perte de trajet égal à 𝑛, la puissance minimale que peut recevoir un mobile dans une cellule est proportionnelle à 𝑃𝑒. 𝑅−𝑛 avec 𝑅 le rayon de la cellule [4]. L’interférence causée par une cellule co-canal est proportionnelle à 𝑃𝑒. 𝐷−𝑛. Le rapport signal sur interférence est alors : 𝐶 𝐼 = 𝑃𝑒𝑅 −𝑛 ∑𝑁 𝑃𝑒𝐷−𝑛 𝑘=1 = 1 𝑁 𝑅 −𝑛 𝐷−𝑛 = 1 𝑁 𝑄 𝑛 Où Q = 𝐷 𝑅 est appelé le facteur de forme. 1.3 Evolution GSM au LTE Les premiers systèmes de la téléphonie mobile fonctionnaient en mode analogique mais actuellement, tous sont presque, si ce n’est déjà le cas, numériques [3]. Afin d’assurer la compatibilité des systèmes d’un pays à un autre, des méthodes de standardisation ont été établies. Il existe dans le monde deux grandes familles de standard de système mobile : – les standards IS41/CDMA d’ origine américaine (normes ANSI-41 / CDMA / CDMA EvDO) définis par l’organisme 3GPP2 – la famille la plus répandue, les standards GSM, UMTS et LTE définie à l’origine en Europe par l’ETSI puis par le 3GPP Depuis les années 1970, des normes ont été établies pour la téléphonie cellulaire, elles sont catégorisées en différentes générations. La première génération était la première à exploiter le concept de la téléphonie cellulaire, fonctionnant en mode Analogique [3], cette génération a bénéficié de deux inventions techniques majeures dans années 1970 : le microprocesseur et le transport numérique des données entre les téléphones mobiles et la station de base. Les appareils utilisés étaient particulièrement volumineux. Ce système utilise la modulation en fréquence FDMA (Frequency Division Multiple Acces). Cependant, ce système présentait rapidement de nombreuses failles aussi bien sur la confidentialité que sur l’efficacité spectrale. La 1ère génération des téléphones mobiles a débuté dans le début des années 80 en offrant un service médiocre de 6 communication mobile, médiocre mais très couteux. La 1G avait beaucoup de défauts : des normes incompatibles d’une région à une autre, une transmission analogique non sécurisée, pas de roaming vers l’international, la 1G a été remplacée dès l’apparition d’une seconde génération plus performante utilisant une technologie numérique

Le réseau GSM 

Dans les années 90, le GSM est apparu. Il s’agit de la norme 2G, s’appuyant sur les transmissions numériques permettant une sécurisation des données avec cryptage. La norme est mondiale, elle autorise le roaming entre pays exploitant le réseau GSM. Le GSM permettait aussi l’émission de SMS mais toutefois, encore limité à 80 caractères. Le principe du GSM, est de passer des appels téléphoniques. Aussi, le GSM s’appuie sur une connexion dite orientée circuit, déjà utilisée par la téléphonie fixe. L’avantage de cette connexion est d’ouvrir un faisceau entre l’appelant et l’appelé qui ne sera fermé qu’en fin de communication. Dans le cas de la téléphonie, le système de commutation s’établit pendant la tonalité de mise en relation, puis est maintenu pendant toute la communication. L’inconvénient est l’utilisation d’un faisceau même si vous ne parlez pas, c’est à dire que le faisceau vous est réservé alors que vous ne transmettez rien. L’avantage et la raison de ce choix est que la conversation arrive dans le bon ordre ; par exemple si on compte de 1 à 10, le 1 arrivera en premier à notre correspondant et le 10 en dernier car tous ces nombres auront suivi le même faisceau. On utilise la technique d’accès multiple à répartition de temps ou l’on alloue un slot de temps aux différents utilisateurs. Le GSM occupe une bande de 890 à 915 Mhz pour la voix montante et 935 à 960 pour la voix descendante. Disposant de plus de 124 fréquences porteuses de 200 kHz, le GSM totalise une bande de 24,8Mhz, ce qui permet aux utilisateurs de communiquer sur plusieurs fréquences [3]. Ce réseau est particulièrement utilisé en Europe, en Afrique, au MoyenOrient et en Asie, il est idéal pour les communications de type « voix ». 

 Architecture d’un réseau GSM 

Le réseau GSM est composé de trois sous-ensembles : – Le sous-système radio BSS (Base Station Subsystem) – Le sous-système d’acheminement NSS (Network and Switching Subsystem) – Le sous-système d’exploitation et de maintenance : OSS (Operation SubSystem). Le BSS assure et gère les transmissions radios et est constitué des unités fonctionnelles suivantes [3] : Le Base Transceiver Station ou BTS, le Base Station Controler ou BSC et le TRAU ou Transcoder And Rate Adaptation Unit. 7 La Base Transceiver Station ou BTS est un ensemble d’émetteurs-récepteurs appelés TRX. La BTS prend en charge la modulation et la démodulation, le chiffrement, la mise en trames et en paquets élémentaires radios. C’est un organe avec peu d’intelligence. La Transcoder and Rate Adapter Unit (TRAU) est une unité de transcodage présente dans les réseaux de téléphonie mobile de type GSM. Le débit du canal radio GSM est de 13 kbit/s, tandis que celui du canal de liaison PCM du téléphone fixe est de 64 kbit/s : il est donc nécessaire de réaliser un transcodage au niveau des stations de base. C’est là qu’ intervienne le TRAU. La Base Station Controller ou BSC : C’est celui qui commande un ensemble de stations radio BTS. Il gère la ressource radio, exploite les mesures effectuées par les BTS et les mobiles pour décider un handover. Le BSC permet aussi d’effectuer une concentration des circuits vers le MSC. Le NSS comprend l’ensemble des fonctions nécessaires pour appel et gestion de la mobilité. Il est constitué des unités fonctionnelles suivantes [3] : – VLR (Visitor Location Register), HLR (Home Location Register), EIR (Equipment Identity Register), et AUC (Authentification Center) qui sont des bases de données et des authentifications. – Le Mobile Switching Controller (MSC) permet des fonctionnalités telles que la commutation, la fonction de passerelle. L’OSS (Operations SubSystem) est constitué de centres d’opération et de maintenance, qui sont utilisés pour des contrôles à distance, des administrations et des maintenances. Il permet à l’opérateur d’exploiter son réseau. Les éléments nouveaux dans le réseau sont délimités par le nuage.