Evolution de la téléphonie mobile

Le système de communications mobiles ne cesse d’évoluer. A partir de la première génération du réseau mobile utilisant une communication analogique et jusqu’à l’apparition actuelle de la quatrième génération nommée aussi Long Term Evolution (LTE). Cette évolution vise à améliorer la qualité de service en termes de débit dans le cas d’échange de trafic temps-réel sensible au temps de latence par les abonnés et à augmenter la capacité de gestion du nombre de mobiles dans une même cellule. La nouvelle génération de réseaux de communications mobiles a pour but d’offrir des débits très élevés pour les utilisateurs.

La technologie LTE s’agit d’une évolution du réseau mobile de quatrième génération la plus récente parmi les normes de téléphonie mobile. Il permet d’avoir des débits élevés jusqu’à 300 Mbps en liaison descendante et 80 Mbps en liaison montante et l’une des spécifications majeures de la LTE c’est qu’il bascule sur l’utilisation de tout Internet Protocol (IP).

Pour mieux arriver en ces termes de performance, LTE exploite diverses et intéressantes techniques d’accès par rapport à UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) telles que l’OFDMA en lien descendant et le SC-FDMA en lien montant mais ces deux techniques se basent tous sur la technique OFDM.

Evolution de la téléphonie mobile 

Organismes de normalisation 

Si les organismes de régulation se chargent de la gestion du spectre, les techniques de communications utilisant ce spectre ne sont standardisées ni par ces organismes, ni par les opérateurs directement. En lieu et place, ce sont des instances scientifiques qui se chargent d’élaborer des scénarios, des spécifications, et finalement des standards, qui sont par la suite approuvés par les autorités. Les organismes de normalisation régissent les standards qui sont utilisés par exemple par les fabricants de téléphones portables ou d’autres systèmes sans fil. Ces organismes réunissent des groupes de travail qui ont pour objectif de déterminer les techniques de communication à utiliser, ainsi que les nombreux paramètres associés : les protocoles, les formats de trame, les modes de fonctionnement possibles, etc. Ces organismes, souvent en concurrence, coexistent sur le plan international, régional, ou local. On peut citer l’IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers) au plan international et au plan européen, on peut citer l’ETSI (EuropeanTelecommunications Standards Institute). Prenons l’exemple de la forme d’onde de la 3G (3 ème Génération) en Europe. C’est le standard UMTS soutenu par l’ETSI qui a été choisi. Par ailleurs, plusieurs organismes régionaux peuvent créer des partenariats pour des projets d’envergure. Par exemple, en décembre 1998, l’ETSI s’est associé à différents partenaires dans le cadre du projet 3GPP (ThirdGenerationPartnership Project), avec pour objectif de produire uniquement des spécifications techniques pour la 3G (bâtie sur l’infrastructure réseau 2G existante) et pour l’UTRA (une évolution de la 3G supportant des débits plus élevés). La standardisation se fait en dehors de la juridiction du 3GPP, par le biais des partenaires du projet, au niveau de leur autorité régionale respective. Les projets permettent donc de fournir des spécifications techniques et d’être mieux entendus, du fait du groupement d’organismes.

Evolution des réseaux mobiles 

Les trois premières générations de réseaux mobiles sont conventionnellement définies par leurs interfaces air et leurs technologies de transport. Cependant, on note que chaque génération a clairement fourni un succès de fonctionnalité à l’utilisateur mobile. De 1G à 3G le service est un service basique de téléphonie mobile mais depuis quelques années, on a vu l’apparition d’une nouvelle génération ou la quatrième génération basée sur l’application tout sur IP.

De la première génération 1G à la quatrième génération 4G 

a. La première génération de système cellulaire ou 1G
Dans les années 70/80, les premiers terminaux sans fil, les radiotéléphones analogiques, font leur apparition dans les voitures ou à transporter dans des valises. Le concept de téléphonie mobile cellulaire avait été exploité pour la première fois par les laboratoires Bell en collaboration avec certains industriels américains. Ils sont énormes, dispendieux avec couverture limitée. S’appuyant sur une technique de modulation radio proche de celle utilisée par les stations de radio FM, ces réseaux, qui ne permettaient pas de garantir la confidentialité des communications, sont par ailleurs vite devenus saturés.

Les plus importants de ces systèmes sont Advanced Mobile Phone System ou AMPS, Nordic Mobile Téléphone ou NMT et Total Access Communication System ou TACS. L’AMPS est le standard de référence aux Etats-Unis, le NMT de Radiocom 2000 en France et dans les pays nordiques, et le TACS pour l’Angleterre. Le roaming n’existait pas encore dans cette première génération de système cellulaire ; c’est-à-dire que lorsqu’un utilisateur franchit la frontière allemande, alors son téléphone ne fonctionnait pas.

Avec son introduction dans le marché de la téléphonie mobile, la vente annuelle a augmenté de 30 à 50% et atteignant les vingt (20) millions d’utilisateurs en 1990. Ils ne garantissaient pas la confidentialité des communications et étaient par ailleurs vite devenus saturés.

b. La deuxième génération de système cellulaire ou 2G
La seconde génération sera donc numérique. Outre une meilleure qualité d’écoute, elle s’accompagne de la réduction de la taille des combinés et assure une certaine confidentialité. Au début des années 90, la norme GSM pour la communication sans fil est adoptée en Europe. Depuis, elle s’est imposée à peu près partout, sauf au Japon, en Amérique du Nord et du Sud, où elle est présente de manière minoritaire. En France, le GSM fonctionne sur les fréquences 900 et 1800 MHz. L’avènement des premiers réseaux de seconde génération (sous l’impulsion de France Télécom, sous la marque Itinéris, et SFR, puis Bouygues Telecom) et de terminaux portables, plus petits et légers, révolutionne l’accès à la téléphonie mobile et la vie quotidienne. Cette nouvelle manière de téléphoner devient peu à peu accessible à tous. Si bien qu’en 2004, plus de 70% de la population française est équipée d’un mobile, selon l’Autorité de régulation des télécommunications.

Les cellulaires de seconde génération incluent le Global System for Mobile communication ou GSM, le Digital AMPS ou DAMPS, le Code Division Multiple Access ou CDMA, et le Personal Digital Communication ou PDC. Aujourd’hui, de nombreux standards liés aux 2G sont apparus et utilisés dans le monde entier. Chaque standard a son propre niveau de mobilité, de capacité et de service. Parmi ces plusieurs, le GSM est la famille de standard la plus efficace (GSM400, GSM800, GSM900, GSM1800 et GSM1900) qui supporte plus de 450 millions de cellulaires présents dans le monde sur environ 140 pays et 400 réseaux.

– Le réseau GSM
Le réseau GSM a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles (GSM) et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC réseau fixe). Il se distingue par un accès spécifique appelé la liaison radio. Ainsi le réseau GSM est composé de trois sous-ensembles :
– Le sous-système radio BSS
Le BSS ou base station sub-system, c’est un sous-système de l’architecture GSM qui assure les transmissions radioélectriques et gère la ressource radio.

Il 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 sous- système d’acheminement NSS
Son rôle est d’assurer les fonctions de commutations et de routage. C’est donc lui qui permet l’accès au réseau public RTCP ou RNIS. En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilité, de la sécurité et de la confidentialité qui sont implantées dans la norme GSM.

– Fonctions du HLR
Le HLR est une base de données de localisation et de caractéristiques des abonnés. Un réseau peut posséder plusieurs HLR 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.

Une base de données qui conserve des données statiques sur l’abonné et qui administre des données dynamiques sur le comportement de l’abonné. Les informations sont ensuite exploitées par l’OMC. L’AUC est une base de données associée au HLR.

– Fonctions du VLR
L’enregistreur de localisation des visiteurs est une base de données associée à un Commutateur MSC. Le VLR a pour mission d’enregistrer des informations dynamiques relatives aux abonnés de passage dans le réseau, ainsi l’opérateur peut savoir à tout instant dans quelle cellule se trouve chacun de ses abonnés. Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR mais concernent les abonnés présents dans la zone concernée.

A chaque déplacement d’un abonné le réseau doit mettre à jour le VLR du réseau visité et le HLR de l’abonné afin d’être en mesure d’acheminer un appel vers l’abonné concerné ou d’établir une communication demandée par un abonné visiteur.

– Fonction du MSC
Les MSC sont des commutateurs de 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 exécution du handover si le MSC concerné est impliqué. (Le handover est un mécanisme grâce auquel un mobile peut transférer sa connexion dune BTS vers une autre (handover inter BTS) ou, sur la même BTS d’un canal radio vers un autre (handover intra BTS). On parle de transfert automatique inter/intra cellule. 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 (la localisation des abonnés sur le réseau) mais aussi la fourniture de toutes les télés services offerts 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.

c. De la deuxième à la troisième génération
– 2,5G
Le GPRS autorise un accès au Wap plus confortable. En 2001, une évolution importante de la norme GSM fait son apparition : le GPRS. Le GSM avec un débit qui ne dépasse pas 9,6 kbps (équivalent à celui utilisé pour les fax) se destine principalement aux appels vocaux et peut à l’acheminement de données : les premiers services WAP sur GSM n’ont d’ailleurs convaincu personne. À mi-chemin entre le GSM (2G) et l’UMTS (3G), le GPRS, souvent appelé 2,5G, permet d’obtenir des vitesses de transfert trois fois supérieures au GSM, soit de 20 à 30 kbps. Cela autorise un accès plus confortable aux services WAP et à un internet allégé (e-mails sans pièce jointe et navigation sur le web). Concrètement, le GPRS n’étant qu’une amélioration du réseau existant, la voix continue de transiter sur le réseau GSM, tandis que les données circulent via le GPRS, selon le principe de transmission par paquets.

– Le réseau GPRS (2.5G)
Le réseau GPRS vient ajouter un certain nombre de « modules » sur le réseau GSM sans changer le réseau existant. Ainsi sont but est de conservés l’ensemble des modules de l’architecture GSM, nous verrons par ailleurs que certains modules GSM seront utilisés pour le fonctionnement du réseau GPRS.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 PRESENTATION DE LTE
1.1 Introduction
1.2 Evolution de la téléphonie mobile
1.2.1 Organismes de normalisation
1.2.2 Evolution des réseaux mobiles
1.2.2.1 De la première génération 1G à la quatrième génération 4G
1.2.2.2 La quatrième génération de système cellulaire ou 4G
1.2.2.3 Les évolutions des générations de réseaux cellulaires
1.3 LTE sur le marché
1.4 Les services offerts par LTE
1.5 Les exigences du LTE
1.5.1 La capacité en nombre d’utilisateurs simultanés
1.5.2 L’efficacité spectrale cellulaire
1.5.3 Les débits de LTE
1.5.4 La latence
1.5.4.1 Latence du plan de contrôle
1.5.4.2 Latence du plan usager
1.5.5 L’agilité en fréquence
1.5.6 La mobilité
1.6 La qualité de services
1.7 Le réseau EPS
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 TECHNIQUES RADIO LTE
2.1 Introduction
2.2 L’architecture d’un réseau LTE
2.2.1 Architecture générale
2.2.2 Réseau d’accès
2.2.3 Réseau cœur
2.2.3.1 MME
2.2.3.2 SGW
2.2.3.3 PGW
2.2.3.4 HSS
2.2.3.5 PCRF
2.3 Mode de duplexage
2.4 Technique d’accès
2.4.1 La modulation OFDM
2.4.1.1 Principe et fonctionnement
2.4.1.2 Avantages et inconvénients
2.4.2 Le Single Carrier Frequency Division Multiple Acces
2.4.3 L’Orthogonal Frequency Division Multiple Acces
2.5 Canaux radio LTE
2.5.1 Architecture de modèle de référence OSI
2.5.2 Canaux physiques
2.5.3 Canaux de transport
2.5.4 Canaux logiques
2.6 Structure de trame de l’interface radio
2.6.1 Le type 1 adapté au FDD et au FDD half-duplex
2.6.2 Le type 2 est adapté au TDD
2.7 La technique MIMO en LTE
2.7.2 Diversité d’émission
2.7.3 Multiplexage spatial
2.7.4 Beamforming
2.8 Modulation Adaptative et codage
2.9 Conclusion
CHAPITRE 3 IMPLEMENTATION DE LA COUCHE PHYSIQUE DE LTE
3.1 Introduction
3.2 Les techniques OFDM, OFDMA, SC-FDMA
3.2.1 La modulation OFDM
3.2.1.1 Principe
3.2.1.2 Modulation
3.2.1.3 Démodulation
3.2.2 L’utilisation de l’OFDMA en partie Downlink de LTE
3.2.3 L’utilisation de SC OFDMA en partie montante de LTE
3.2.3.1 Principe
3.2.3.2 Spécifications du SC-FDMA dans le LTE
3.3 Modèle de transmission OFDMA et SC FDMA
3.4 Critères d’évaluation des performances
3.4.1 PAPR
3.4.2 BER
3.4.3 SNR
3.4.4 BER vs SNR Processus
3.4.5 Probabilité d’erreurs
3.4.6 Densité spectrale de puissance
3.4.7 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATIONS DES PERFORMANCES DU RESEAU LTE SOUS MATLAB
4.1 But de la simulation
4.2 Outils de simulation
4.3 Présentation de l’outil
4.4 Simulation
4.4.1 BER et SNR pour les techniques OFDMA et SC-FDMA
4.4.2 Interprétation des résultats
4.4.3 Probabilité d’erreurs pour OFDMA et SC-FDMA pour la modulation Adaptative
4.4.4 Interprétation des résultats
4.4.5 Densité Spectrale de Puissance l’OFDMA et SC-OFDMA
4.4.6 Interprétation des résultats
4.4.7 PAPR de l’OFDMA et de SC-FDMA pour la modulation adaptative
4.4.7.1 Cas du BPSK et QPSK
4.4.7.2 Interprétation des résultats
4.4.7.3 Cas du 16-QAM et 64-QAM
4.4.7.4 Interprétation des résultats
4.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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