Principes de base du fonctionnement du réseau GSM - Notes de cours - publications dans la revue de

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0C. DEMOULIN, M. VAN DROOGENBROECK. Principes de base du fonctionnement du rØseau GSM. Revue de l’AIM, pages 3 18, N 4, 2004.
PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DU RÉSEAU GSM
CØdric DEMOULIN, Marc VAN DROOGENBROECK
DØpartement d’ lectricitØ, lectronique et Informatique (Institut Monte ore)
Sart Tilman, B-4000 LiŁge, Belgique
http://www.ulg.ac.be/telecom
RØsumØ
Si la tØlØphonie mobile se banalise aujourd’hui, on le doit à la conjonction de l’avŁnement du numØrique, à l’accrois-
sement des performances des semi-conducteurs et à diffØrentes avancØes technologiques. Mais le facteur dØterminant fut
1sans doute la cristallisation autour de la norme GSM issue d’un effort soutenu de standardisation menØ à l’ETSI (Organe
europØen de normalisation en tØlØcommunications, crØØ à l’initiative du Conseil des ministres).
Dans cet article, nous passerons en revue diffØrents aspects de la technologie GSM : ØlØments de la couche physique,
caractØrisation de la partie radio, architecture du rØseau, etc. Pour faciliter la lecture il faut concØder que les acronymes
abondent dans ce domaine , un glossaire est fourni en n d’article.
1 Introduction
1.1 Historique
L’histoire de la tØlØphonie mobile (numØrique) dØbute rØellement en 1982. En effet, à cette date, le Groupe SpØcial
2Mobile, appelØGSM , est crØØ par la ConfØrence EuropØenne des administrations des Postes et TØlØcommuncations (CEPT)
a n d’Ølaborer les normes de communications mobiles pour l’Europe dans la bande de frØquences de 890 à 915[MHz]
3pour l’Ømission à partir des stations mobiles et 935 à 960[MHZ] pour l’Ømission à partir de stations xes. Il y eut bien
des systŁmes de mobilophonie analogique (MOB1 et MOB2, arrŒtØ en 1999), mais le succŁs de ce rØseau ne fut pas au
rendez-vous.
Les annØes 80 voient le dØveloppement du numØrique tant au niveau de la transmission qu’au niveau du traitement des
signaux, avec pour dØrivØs des techniques de transmission ables, gr ce à un encodage particulier des signaux prØalablement
à l’envoi dans un canal, et l’obtention de dØbits de transmission raisonnables pour les signaux (par exemple 9;6 kilobits par
seconde, notØ [kb=s], pour un signal de parole).
Ainsi, en 1987, le groupe GSM xe les choix technologiques relatifs à l’usage des tØlØcommunications mobiles : trans-
mission numØrique, multiplexage temporel des canaux radio, chiffrement des informations ainsi qu’un nouveau codage de
la parole. Il faut attendre 1991 pour que la premiŁre communication expØrimentale par GSM ait lieu. Au passage, le sigle
GSM change de signi cation et devient Global System for Mobile communications et les spØci cations sont adaptØes pour
des systŁmes fonctionnant dans la bande des 1800[MHz].
En Belgique, c’est en 1994 que le premier rØseau GSM (proximus) est dØployØ ; Mobistar et Orange (rebaptisØ Base)
viendront plus tard. Aujourd’hui, le nombre de numØros attribuØs pour des communications GSM dØpasse largement le
nombre de numØros dØdiØs à des lignes xes et cette tendance se poursuit.
1.2 v olution technologique
Tel quel, le rØseau GSM est adØquat pour les communications tØlØphoniques de parole. En effet, il s’agit principalement
d’un rØseau commutØ, à l’instar des lignes xes et constituØs de circuits, c’est- -dire de ressources allouØes pour la totalitØ
de la durØe de la conversation. Rien ne fut mis en place pour les services de transmission de donnØes. Or, parallŁlement au
dØploiement du GSM en Belgique, en 1994, la sociØtØ Netscape allait donner un tour spectaculaire à un rØseau de transmission
de donnØes, appelØ Internet, en diffusant le premier logiciel de navigation grand public, articulØ sur le protocole http et
communØment appelØ web.
1http://www.etsi.org
2C’est en fait la premiŁre dØ nition de l’acronyme GSM.
3Pour des raisons d’Øconomie de puissance et en vertu de la loi de FRIIS, on privilØgie toujours les basses frØquences pour les Ømissions omnidirection-
nelles.
10C. DEMOULIN, M. VAN DROOGENBROECK. Principes de base du fonctionnement du rØseau GSM. Revue de l’AIM, pages 3 18, N 4, 2004.
Comme le rØseau GSM ne convenait guŁre pour la transmission de donnØes, les Øvolutions rØcentes ont visØ à accro tre
la capacitØ des rØseaux en termes de dØbit mais à Ølargir les fonctionnalitØs en permettant par exemple l’Øtablissement de
communications ne nØcessitant pas l’Øtablissement prØalable d’un circuit.
Pour dØpasser la borne des 14;4[kb=s], dØbit nominal d’un canal tØlØphonique basculØ en mode de transmission de
donnØes, l’ETSI a dØ ni un nouveau service de donnØes en mode paquet : le General Packet Radio Service (GPRS) qui
permet l’envoi de donnØes à un dØbit de 115[kb=s] par mise en commun de plusieurs canaux. D’une certaine maniŁre,
le GPRS prØpare l’arrivØe de la tØlØphonie de troisiŁme gØnØration, appelØe Universal Mobile Telecommunications System
(UMTS), qui permettra d’atteindre un dØbit de 2[Mb=s]. Mais le chemin est long car les applications nØcessitant l’UMTS se
font attendre, sans perdre de vue que tous les ØlØments du rØseau UMTS sont incompatibles avec ceux du GSM. Pourquoi
les investisseurs devraient-ils donc mettre la main au portefeuille ?
2 La technologie GSM
2.1 Le concept cellulaire
Les rØseaux de premiŁre gØnØration possØdaient des cellules de grande taille (50[km] de rayon) au centre desquelles
se situait une station de base (antenne d’Ømission). Au tout dØbut, ce systŁme allouait une bande de frØquences de maniŁre
statique à chaque utilisateur qui se trouvait dans la cellule qu’il en ait besoin ou non. Ce systŁme ne permettait donc de fournir
un service qu’ un nombre d’utilisateurs Øgal au nombre de bandes de frØquences disponibles. La premiŁre amØlioration
consista à allouer un canal à un utilisateur uniquement à partir du moment oø celui-ci en avait besoin permettant ainsi
d’augmenter statistiquement le nombre d’abonnØs, Øtant entendu que tout le monde ne tØlØphone pas en mŒme temps.
Mais ce systŁme nØcessitait toujours des stations mobiles de puissance d’Ømission importante (8[W]) et donc des appareils
mobiles de taille et de poids consØquents. De plus, a n d’Øviter les interfØrences, deux cellules adjacentes ne peuvent pas
utiliser les mŒmes frØquences. Cette organisation du rØseau utilise donc le spectre frØquentiel d’une maniŁre sous-optimale.
C’est pour rØsoudre ces diffØrents problŁmes qu’est apparu le concept de cellule. Le principe de ce systŁme est de
diviser le territoire en de petites zones, appelØes cellules, et de partager les frØquences radio entre celles-ci. Ainsi, chaque
cellule est constituØe d’une station de base (reliØe au RØseau TØlØphonique CommutØ,RTC) à laquelle on associe un certain
nombre de canaux de frØquences à bande Øtroite, sommairement nommØs frØquences. Comme prØcØdemment, ces frØquences
4ne peuvent pas Œtre utilisØes dans les cellules adjacentes a n d’Øviter les interfØrences . Ainsi, on dØ nit des motifs, aussi
appelØs clusters, constituØs de plusieurs cellules, dans lesquels chaque frØquence est utilisØe une seule fois. La gure 1
montre un tel motif, en guise d’exemple.
2
2 7 3
3 172 41 67 3 46 51 5 246 7 35 1
46
5
FIG. 1 – Figure reprØsentant un motif ØlØmentaire ( gauche) et un ensemble de motifs dans un rØseau ( droite).
4En pratique, une distance minimale de deux cellules sØpare deux cellules utilisant la mŒme frØquence.
20C. DEMOULIN, M. VAN DROOGENBROECK. Principes de base du fonctionnement du rØseau GSM. Revue de l’AIM, pages 3 18, N 4, 2004.
Graphiquement, on reprØsente 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, a n de permettre
à un utilisateur passant d’une cellule à une autre de garder sa communication, il est nØcessaire que les zones de couverture
se recouvrent de 10 à 15%, ce qui renforce la contrainte de ne pas avoir une mŒme bande de frØquences dans deux cellules
voisines.
Pour Øviter les interfØrences à plus grande distance entre cellules utilisant les mŒmes frØquences, il est Øgalement pos-
sible d’asservir la puissance d’Ømission de la station de base en fonction de la distance qui la sØpare de l’utilisateur. Le
mŒme processus du contr le de la puissance d’Ømission est Øgalement appliquØ en sens inverse. En effet, pour diminuer la
consommation d’Ønergie des mobiles et ainsi augmenter leur autonomie, leur puissance d’Ømission est calculØe en fonction