Lernzettel: Évolution des Technologies Cellulaires

📋 Plan du Cours

1. Évolution historique des technologies cellulaires de la génération 0G à la 6G
2. Modes de transmission en réseaux cellulaires : Frequency Division Duplex (FDD) et Time Division Duplex (TDD
3. Technologie 1G AMPS : architecture, canaux et gestion des appels
4. Technologie 2G GSM : architecture réseau, fréquences, multiplexage temporel (TDMA) et gestion des ressources radio

📖 1. Évolution historique des technologies cellulaires de la génération 0G à la 6G

🔑 Notions clés & Définitions

• Internet of Everything (IoE) : Vision d’Internet of Everything utilisée comme angle de synthèse pour relier les sauts de génération à des usages IoE/Industry 5.0.

📝 Points essentiels

• La 3G développe des services mobiles à large bande améliorée et permet des applications comme la messagerie multimédia et les appels vidéo.
• La 4G introduit de nouveaux services mobiles à large bande, la communication tout IP, la voix sur IP (VoIP), le streaming vidéo ultra haute définition et les jeux en ligne.
• • La première génération (1G) a introduit les réseaux cellulaires disponibles publiquement et commercialement dans les années 1980.

💡 À retenir

Les sauts de génération sont reliés à des changements technologiques mesurables : passage de l’analogique au numérique (1G→2G), montée en puissance des services de données et multimédias (3G), puis généralisation du tout IP et de nouveaux usages à large bande (4G).

📖 2. Modes de transmission en réseaux cellulaires : Frequency Division Duplex (FDD) et Time Division Duplex (TDD

📝 Points essentiels

• En FDD, chaque station de base et la paire mobile attribuent une paire de fréquences pour des transmissions simultanées en liaison montante et en liaison descendante.
• En FDD, la mise en œuvre est plus simple et ne nécessite pas de synchronisation temporelle précise.
• En FDD, la séparation des fréquences rend le système moins sujet aux interférences.
• En TDD, la station de base et le mobile transmettent sur la même fréquence mais à des moments différents.
• En TDD, la flexibilité permet d’allouer plus de temps à la liaison descendante si le trafic en liaison descendante est supérieur à celui de la liaison montante.

💡 À retenir

En FDD, chaque station de base et la paire mobile attribuent une paire de fréquences pour des transmissions simultanées en liaison montante et en liaison descendante.

📖 3. Technologie 1G AMPS : architecture, canaux et gestion des appels

📝 Points essentiels

• Les transferts déclenchés et gérés uniquement par le système sans intervention mobile prennent environ 300 ms.
• AMPS est inventé par Bell Labs, installé pour la première fois aux États-Unis en 1982, aussi utilisé en Angleterre sous le nom TACS et au Japon sous le nom MCS-L1, puis retiré officiellement en 2008.
•  Le compteur est aussi utilisé pour le chiffrement dans l'algorithme A5.
• 📌 Applications dans le GSM Gestion des canaux de communication.
• AMPS met en œuvre explicitement la conception cellulaire et la réutilisation des fréquences, et est un système analogique conçu principalement pour la communication vocale mobile.

💡 À retenir

AMPS est un système 1G analogique centré sur la communication vocale, qui met explicitement en œuvre la conception cellulaire et la réutilisation des fréquences, avec une organisation utilisant FDMA/FDD et une gestion des canaux via un MTSO interconnecté au PSTN par commutation de circuits.

📖 4. Technologie 2G GSM : architecture réseau, fréquences, multiplexage temporel (TDMA) et gestion des ressources radio

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure : 24 trames pour les communications.

📝 Points essentiels

• La carte SIM (Subscriber Identity Module) est une puce amovible contenant des informations sur l’abonné et le compte, nécessaire pour activer le téléphone.
• Dans GSM, les fréquences dépendent du pays et de l’opérateur : au UK, deux bandes sont utilisées (900 MHz et 1 800 MHz) avec downlink 925–960 MHz et uplink 1710–1785 MHz.
• Ce signal lui permet de se caler précisément sur les canaux GSM
• le mobile récupère le signal de synchronisation de la trame TDMA diffusé sur le BCCH et synchronise sa trame
• le mobile lit sur le BCCH les infos concernant la cellule et le réseau et transmet à la BTS l’identification de l’appelant pour la mise à jour de la localisation Le mobile a alors achevé la phase de mise en route et se met en mode veille, mode dans lequel il effectue un certain nombre d’opérations de routine :
• lecture du PCH ( Paging channel) qui indique un appel éventuel lecture des canaux de signalisation des cellules voisines
• mesure du niveau des BCH des cellules voisines pour la mise en route éventuelle d’une procédure de handover GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 50IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 50 MOBILE EN FONCTIONNEMENT A la réception d'un appel :
• l’abonné filaire compose le n° de l’abonné mobile: 06 XX XX XX XX
• l’appel est aiguillé sur le MSC le plus proche qui recherche l'IMSI dans le HLR et la localisation du mobile dans le VLR
• le MSC le plus proche du mobile (Visited MSC : fait diffuser dans la zone de localisation, couvrant plusieurs cellules, un message à l'attention du mobile demandé par le PCH)
• le mobile concerné émet des données sur RACH avec un Timing Advance fixé à O et un niveau de puissance fixé par le réseau (ces paramètres seront ajustés ultérieurement)
• le réseau autorise l’accès par le AGCH et affecte au mobile une fréquence et un time- slot
• l'appelé est identifié grâce à la carte SIM
• le mobile reçoit la commande de sonnerie
• décrochage de l’abonné et établissement de la communication GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 51IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 51 MOBILE EN FONCTIONNEMENT Lors de l’émission d’un appel
• l’abonné mobile compose le numéro du correspondant du réseau téléphonique commuté
• la demande arrive à la BTS de sa cellule
• elle traverse le BSC pour aboutir dans le commutateur du réseau MSC
• l’appelant est identifié et son droit d’usage vérifié
• l’appel est transmis vers le réseau public
• le BSC demande l’allocation d’un canal pour la future communication
• décrochage du correspondant et établissement de la communication GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 52IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 52 LOCALISATION - ITINÉRANCE
• Lors d'un appel entrant, pour contacter un mobile : – on envoie un message de recherche (paging)
• sur la zone de localisation (ensemble de cellules) – recherche avec les bases de données
• centralisées
• décentralisées
• hybrides GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 53IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 53 GSM : CANAUX LOGIQUES
• Catégories – Broadcast Channel (groupe BCH)
• Voie descendante, voie balise – Common Control Channel (groupe CCCH)
• Voie descendante et montante – Dedicated Control Channel (groupe DCCH)
• Voie descendante et montante – Traffic Channel (groupe TCH)
• Voie descendante et montante GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 54IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 54 GSM : CANAUX LOGIQUES
• Groupe BCH – Frequency Correction Channel (FCCH)
• Calage sur la fréquence porteuse – Signal sinusoïdal parfait – Synchronisation Channel (SCH)
• Synchronisation et identification – Burst d’apprentissage identique dans tout le réseau – Code BISC (couplé avec la fréquence, on identifie la cellule) – Broadcast Control Channel (BCCH)
• Information sur le système – Numéro de ZaC, paramètre de sélection des cellules, paramètres pour l’accès aléatoire, description des canaux logiques, description des cellules voisines.
• IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 38IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 38 GESTION DES RETARDS 0 1 2 3 4 5 6 7 Retard maxi = 2 x 35 km = 233 μs (300 000 km/s) 4 5 Au niveau de la station de base : GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 39IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 39 0 1 2 3 4 5 6 7 4 5 Gestion des retards =Timing Advance (paramètre TA) Max 2 x 35 km = 233 s paramètre envoyé à chaque trame (gestion de la mobilité) Au niveau de la station de base : GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 40IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 40 POSITIONNEMENT, LOCALISATION
• La connaissance de ce paramètre pour une station de base permet de connaître la distance au mobile
• Avec triangulation = 3 BS => localisation GSM IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 41IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 41 HYPER-TRAME IMEN KHADHRAOUI/ THEORIE DE COMPILATION 42IMEN KHADHRAOUI/ NEXT GENERATION NETWORKS 42 HYPER-TRAME  Création d'un code temporel : « Time code »  Chaque trame TDMA de l'Hyper-trame a un numéro : « Frame Number ».

💡 À retenir

La carte SIM (Subscriber Identity Module) est une puce amovible contenant des informations sur l’abonné et le compte, nécessaire pour activer le téléphone.

🧩 Compléments de couverture

1. La 2G prend en charge des services de données de base, notamment les services de messages courts (SMS), en plus de la communication vocale.
2. La 5G est présentée comme succédant à la 4G1, avec des débits plus importants et une latence fortement réduite.
3. Les fréquences AMPS sont données : liaison descendante 869-894 MHz et liaison montante 824-849 MHz.
4. E=1000×120/3600=33.33 Erlangs 📌 Modèles d'évaluation Formule de Erlang B (probabilité de blocage, sans mise en attente).
5. 📌 Exemple de calcul 1000 appels par heure, Durée moyenne de 2 minutes (120 s).
6. 625 Erlangs/canal Capacité suffisante, mais optimisation possible.
7. AMPS Call Management  Pendant le fonctionnement normal/inactif, chaque mobile :  Se réenregistre toutes les 15 minutes  Écoute en permanence les messages qui lui sont adressés sur le canal de radiomessagerie.
8. 📌 Exemple de calcul Si une cellule possède 3 TRX (24 canaux) et un trafic moyen de 15 Erlangs : Utilisation moyenne = 15/24 ≈ 0.
9. 4 : 1 8 bursts 8 trames 33.8kbps A/D : convertisseur Analogique - > Digital CODAGE DE LA PAROLE GSM L'entrelacement : Des paquets d'erreurs ont lieu sur un canal radiomobile.
10. 1 Erlang = 1 canal occupé en continu pendant 1 heure.
11.  Compte tenu du spectre de la voix (300 - 3400 Hz), la numérisation du signal perçu par le microphone nécessiterait un débit de 64 kbit/s.
12. – Principe : La parole est analysée par tranche de 20 ms et codée sur 260 bits (13 kbit/s).
13. Évolution historique des technologies cellulaires 1G: AMPS.
14. 62 ms 7500 x 1/13 MHz = 577 s (7500 périodes de Quartz de mobile) 156.
15. 8kbps 456bit / 20ms 13kbps 260bit / 20ms Entrela- cement 7.

📅 Repères chronologiques

Date	Événement
1982	AMPS installé pour la première fois aux États-Unis
1980	La 1G a introduit les réseaux cellulaires disponibles publiquement et commercialement dans les années 1980
2008	AMPS retiré officiellement

📊 Tableaux de Synthèse

Tableau 1 — Duplex FDD vs TDD

Notion	FDD	TDD
Principe de transmission	Chaque station de base et la paire mobile attribuent une paire de fréquences pour des transmissions simultanées en liaison montante et en liaison descendante.	Station de base et mobile transmettent sur la même fréquence mais à des moments différents.
Mise en œuvre / synchronisation	Ne nécessite pas de synchronisation temporelle précise.	(Non précisé dans le résumé)
Interférences	La séparation des fréquences rend le système moins sujet aux interférences.	(Non précisé dans le résumé)
Allocation selon trafic DL/UL	(Non précisé dans le résumé)	Flexibilité : allouer plus de temps à la liaison descendante si trafic DL > trafic UL.

Tableau 2 — GSM : éléments d’architecture, canaux logiques et phases

Thème	Contenu à maîtriser
Structure temporelle	24 trames pour les communications ; hyper-trame : création d’un code temporel (“Time code”) et chaque trame TDMA a un numéro (“Frame Number”).
Démarrage / synchronisation mobile	Le mobile se cale précisément sur les canaux GSM via le signal de synchronisation de la trame TDMA diffusé sur le BCCH ; il synchronise sa trame ; il lit sur le BCCH les infos concernant la cellule et le réseau.
Veille & routines	Lecture du PCH (Paging channel) ; lecture des canaux de signalisation des cellules voisines ; mesure du niveau des BCH des cellules voisines pour mise en route éventuelle d’un handover.
Canaux logiques (catégories)	BCH (Broadcast Channel), CCCH (Common Control Channel), DCCH (Dedicated Control Channel), TCH (Traffic Channel).
Exemples de canaux BCH/BCCH/identification cellule	FCCH (Frequency Correction Channel) : calage sur la fréquence porteuse ; SCH : synchronisation et identification ; BISC : code couplé avec la fréquence pour identifier la cellule ; BCCH : information sur le système (numéro de ZaC, paramètres de sélection des cellules, paramètres pour l’accès aléatoire, description des canaux logiques, description des cellules voisines).

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confondre FDD et TDD : en FDD il y a paire de fréquences (UL/DL simultanées), en TDD même fréquence mais à des moments différents.
2. Penser que FDD nécessite une synchronisation temporelle précise : le résumé indique l’inverse (“plus simple” et “ne nécessite pas”).
3. Oublier que TDD permet d’allouer plus de temps à la liaison descendante si le trafic DL est supérieur au trafic UL.
4. Pour AMPS, confondre “centré voix” avec “tout IP” : le résumé dit explicitement AMPS analogique, principalement communication vocale mobile.
5. Mélanger les rôles des canaux GSM : PCH sert à indiquer un appel éventuel en veille, alors que BCCH porte des informations système et sert à la synchronisation via diffusion.
6. Confondre Timing Advance (TA) avec une simple mesure : TA est un paramètre envoyé à chaque trame pour la gestion de la mobilité.
7. Se tromper sur l’ordre logique GSM en appel entrant/sortant : appel entrant implique MSC/HLR/VLR + paging vers zone de localisation, alors qu’en émission l’appel part vers BTS puis BSC puis MSC.

✅ Checklist Examen

1. Relier les générations aux changements décrits : analogique → numérique (1G→2G), montée des services données/multimédias (3G), généralisation tout IP + usages large bande (4G).
2. Donner l’idée “IoE” comme angle de synthèse reliant les sauts de génération à des usages IoE/Industry 5.0.
3. Expliquer FDD : paire de fréquences UL/DL simultanées entre station de base et mobile.
4. Expliquer FDD : pourquoi c’est moins sujet aux