Pour atteindre cet objectif, toutes les technologies d'accès radio doivent résoudre un même problème : répartir aussi efficacement que possible, un spectre hertzien unique entre de très nombreux utilisateurs. Pour cela, diverses techniques de multiplexage sont utilisées pour la cohabitation et la séparation des utilisateurs et des cellules radio : le multiplexage temporel, le multiplexage en fréquence et le multiplexage par codes, ou le plus souvent une combinaison de ces techniques1.
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 (handover) sans coupure des communications en cours. Dans un même pays, aux heures d'affluence, plusieurs centaines de milliers, voire plusieurs millions d'appareils sont en service avec (dans le cas du GSM) seulement 500 canaux disponibles. Comment fait-on ?
Sommaire
Réseaux GSM : Pourquoi 500 canaux ?
Article détaillé : Global System for Mobile Communications.
Les réseaux de téléphonie mobile utilisent des ondes électromagnétiques, tout comme les réseaux pour la radio, la télévision, les satellites
et les autres réseaux de communication tels que ceux réservés aux
gendarmes, ambulanciers et autres. Pour transmettre une information
(binaire ou analogique) on utilise un canal. Dans les réseaux GSM, ce
canal est porté par une fréquence spécifique autour de laquelle l'onde
est modulée. On préfère garder un certain espace entre les canaux car
si leurs fréquences sont trop proches, ils empiètent les uns sur les
autres en produisant des interférences.On a attribué à chaque application (radio, télévision, téléphones, etc.) des groupes de fréquences qui varient selon les continents, voire parfois de pays à pays. En Europe, la téléphonie mobile GSM a reçu (de l'organisme CEPT) deux groupes de fréquences : autour de 900 MHz et autour de 1800 mégahertz (MHz).
Il a d'abord fallu scinder chacun de ces groupes en deux : une bande de fréquences pour envoyer les signaux de l'antenne-relais vers les téléphones mobiles, l'autre pour les émissions des téléphones vers le réseau. L'une donc pour être appelé et entendre, l'autre pour appeler et parler.
Fréquences historiques affectées aux premiers opérateurs GSM en France au début des années 2000 (depuis lors Bouygues Telecom et Free Mobile ont reçu des bandes de fréquence supplémentaires) :
| Émission (en MHz) | Réception (en MHz) | |
| Groupe 1 | 890-915 | 935-960 |
| Groupe 2 | 1710-1785 | 1805-1880 |
Première solution : des milliers d'émetteurs
Un grand nombre d'émetteurs à courte portée sont installés, chacun ne couvrant qu'une zone géographique bien délimitée appelée "une cellule" (zone couverte par une antenne). De là, le terme « téléphonie cellulaire ». La portée moyenne varie de 1 à 30 km. Ainsi, les téléphones reçoivent les ondes radio d'une station de base (BTS) et lui répondent pour indiquer s'ils souhaitent s'y attacher. Si celle-ci accepte, elle retient le numéro d'identité de l'appareil (n° IMSI), lui réserve un canal et reprend le contact si un appel pour ce téléphone lui parvient ou si le téléphone en effectue un. Ceci permet de réutiliser des milliers de fois les mêmes fréquences hertziennes dans un seul pays.Cette solution pose néanmoins un problème si toutes les antennes adjacentes utilisent les mêmes fréquences pour leurs utilisateurs. Si l'un d'eux se situe à la frontière entre les deux zones de portée, il reçoit deux signaux qui se perturbent mutuellement.
Amélioration : le damier hexagonal
Réseau cellulaire de téléphonie (GSM/GPRS)
Mais cela pose un problème pour la localisation du destinataire d'un appel. Lorsque le téléphone (MS) décide de changer de cellule, il informe via la BTS et la BSC, le VLR (Visitor Location Register) dont dépend la nouvelle cellule. Si l'on a changé de MSC (Mobile service Switching Center), le HLR (Home Location Register) est contacté, ce dernier contactant le précédent MSC. L'utilisateur s'identifie soit avec l'IMSI (International Mobile Subscriber Identity) ou le TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) contenus dans la carte SIM du téléphone, le TMSI étant préféré pour des raisons de sécurité.
Pour augmenter le nombre d'utilisateurs dans une zone géographique, on peut augmenter le nombre de cellules en réduisant leur taille.
Solution complémentaire : le multiplexage temporel
Contrairement à ce que peut laisser croire le nom de cette technique, le multiplexage temporel est assez simple à effectuer en numérique. Dans le téléphone, la voix est numérisée et donne donc un code binaire ; celui-ci a la particularité de pouvoir être compressé, or sur une bande de fréquence de 200 kHz, on peut faire passer plusieurs flux de telles données compressées. Le téléphone numérise, puis compresse le son et l'envoie par « paquets » toutes les 20 millisecondes (GSM). Ainsi, on peut imbriquer huit émissions (7 paquets de voix ou donnée + 1 paquet de contrôle) par canal GSM.Zones blanches
Même si la couverture réseau est de nos jours très étendue, il demeure des espaces géographiques qui n'étaient pas ou ne sont pas encore couverts par les réseaux mobiles : les zones blanches. Dans tous les pays, les fournisseurs de service s'efforcent de couvrir ces zones lorsque la demande le justifie ou lorsque la législation l'impose. Cette couverture est souvent mutualisée, c'est-à-dire réalisée via des antennes financées et partagées par les différents opérateurs du pays ; par extension le terme « zone blanche » désigne alors ces zones partagées (environ 3000 communes en France).Évolution du GSM vers le GPRS
Les réseaux GSM ont évolué vers les normes GPRS et Edge, optimisées pour transférer des données (MMS, accès internet, ..) qui nécessitent des débits plus élevés que la téléphonie (voix). Cela a été obtenu en améliorant les techniques de codage radio et par regroupement de plusieurs canaux pour permettre le transfert de données à une vitesse plus élevée. Mais les antennes et le réseau radio restent les mêmes : mêmes fréquences et mêmes damiers hexagonaux avec des cellules radio adjacentes utilisant des fréquences différentes pour éviter les interférences.Réseaux UMTS
Article détaillé : Universal Mobile Telecommunications System.
Principales différences avec les réseaux GSM
Structure d'un réseau 3G UMTS
Une amélioration importante de l’UMTS par rapport au GSM consiste en la possibilité d’utiliser les mêmes fréquences hertziennes dans toutes les cellules radio, grâce à une nouvelle technique de codage (WCDMA) et à un « scrambling code » (code d’ embrouillage) permettant d’identifier chaque cellule. En conséquence, cela permet d’affecter une largeur spectrale plus grande à chaque cellule (la norme UMTS prévoit 5 MHz par cellule radio) et donc d'avoir au total une bande passante plus importante et plus de débit dans chaque cellule.
Une autre différence tient au fait que, l'UMTS est optimisé pour transporter les données avec des débits variables (vidéos, internet); il n’y a donc plus de découpe de la bande passante en canaux de taille fixe (adaptés à la voix), mais une allocation dynamique de ressources permettant des débits variables et irréguliers (accès Internet).
Une troisième différence avec le GSM concerne la largeur spectrale affectée à chaque cellule radio, la norme UMTS dominante (FDD) prévoit, pour chaque cellule, une largeur spectrale fixe de 2x5 MHz (1 bande pour l'émission, une autre pour la réception), plus élevée qu'en GSM (qui utilise au maximum dix à vingt canaux de 200 kHz par cellule). Une évolution récente de la norme appelée DC-HSPA+ ou DC-HSDPA, permet d'agréger 2 bandes de fréquence de 5 MHz dans le sens download pour augmenter le débit réception dans une cellule radio pour les terminaux compatibles.
Organisation des cellules radio UMTS
Dans un réseau UMTS, dans les zones de couverture homogènes (macrocells), on retrouve le même type de damiers hexagonaux que celui décrit ci-dessus pour le GSM. Les mêmes fréquences hertziennes sont généralement utilisées dans toutes les cellules (c'est obligatoire pour les opérateurs ne disposant que d'une seule bande de fréquence duplex de 2x5 MHz).La contrepartie est que, malgré le codage WCDMA et les « scrambling codes » permettant d’identifier une cellule, il y a des interférences dans les zones en limite de 2 cellules mitoyennes et il en résulte un débit beaucoup plus faible qu'au centre des cellules radio ; le changement de cellules d'un terminal en déplacement (handover) est également plus complexe avec des risques de micro-coupures des communications en cours, spécialement dans les variantes « haut débit » (HSDPA et HSPA+) de l’UMTS.
Si l'opérateur mobile dispose de plusieurs bandes de 5 MHz
Pour les opérateurs disposant de plusieurs sous-bandes de fréquences UMTS de 5 MHz, il y a 3 types d'utilisation possibles :- Avoir plusieurs cellules radio (porteuses) indépendantes, superposées sur une même zone géographique. Cela permet d'augmenter la bande passante globale, mais un terminal mobile ne peut se connecter qu’à une seule cellule.
- Utiliser l’option Dual-Cell ou Dual-Carrier (DC) de la norme HSPA+ qui permet d’agréger 2 porteuses de 5 MHz permettant ainsi à un smartphone compatible d’augmenter (jusqu'à 42 Mb/s) le débit pic de téléchargement. Cette option peut être utilisée conjointement avec la 1re ; certains abonnés bénéficiant ainsi de la connexion à 2 porteuses, d’autres (parce que leur terminal ou leur abonnement ne leur permet pas) ne se connectent qu’à l’une des 2 porteuses.
- Réserver aux small cells ou femtocells, l'une des sous-bandes de 5 MHz appartenant à l’opérateur afin de diminuer la charge des cellules principales.
Réseaux LTE
Article détaillé : LTE (réseaux mobiles).
Différences avec les réseaux GSM et UMTS
eUTRAN : architecture de l’accès radio d’un réseau LTE
Tout comme l’UMTS, le LTE est une technologie cellulaire qui offre la possibilité de réutiliser les mêmes fréquences hertziennes dans des cellules radio mitoyennes, grâce au codage radio (OFDMA) et à un encodage permettant d’identifier les cellules. Cela permet d’affecter à chaque cellule une largeur spectrale variant de 5 à 20 MHz et donc d'avoir une bande passante plus importante et plus de débit dans chaque cellule.
Le LTE est optimisé pour transporter les données avec des débits fixes et garantis (applications : télévision, téléphonie, visiophonie, lecture de vidéos) ou variables (internet, téléchargements, jeux interactifs, cartographie (géolocalisation)).
Topologie du réseau
La partie radio du réseau Radio Access Network appelée « eUTRAN » est simplifiée par l’intégration dans les stations de base « eNode B » des fonctions de contrôle qui étaient implémentées dans les RNC (Radio Network Controller) des réseaux UMTS. Pour remplacer la fonction d’interconnexion des RNC, des liens directs entre les eNode B (appelés X2) sont utilisés.Le RAN d’un réseau LTE se limite donc aux eNode B, aux antennes et aux liaisons en fibres optiques vers les antennes distantes (liens CPRI) et celles reliant les eNode B entre eux et avec le cœur de réseau (réseau de backhaul).
Le cœur de réseau appelé « EPC » (Evolved Packet Core) ou « SAE » (System Architecture Evolution), est bâti sur des technologies « full IP », c'est-à-dire utilisant uniquement les protocoles internet pour la signalisation, le transport de la voix et des données.
Dans le cas d’une cohabitation avec un réseau UMTS, le LTE nécessite une couverture radio et des fréquences hertziennes spécifiques et des antennes relais le plus souvent dédiées (antennes MIMO) qui peuvent être colocalisées avec celles d’un réseau UMTS.
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