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Le standard GSM

Le réseau GSM (Global System for Mobile communications) constitue au début du 21ème siècle le standard de téléphonie mobile le plus utilisé en Europe. Il s'agit d'un standard de téléphonie établi en 1982, et dit « de seconde génération » (2G) car, contrairement à la première génération de téléphones portables, les communications fonctionnent selon un mode entièrement numérique.

En Europe, le standard GSM utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800 MHz (variante appelée DCS pour Digital Communication System). Aux Etats-Unis par contre, la bande de fréquence utilisée est la bande 1900 MHz. Ainsi, on qualifie de tri-bande les téléphones portables pouvant fonctionner en Europe et aux Etats-Unis et de bi-bande ceux fonctionnant uniquement en Europe.

 

Tel qu'il a été conçu, le réseau GSM est idéal pour les communications de type « voix ». Le réseau étant commuté, les ressources ne sont allouées que pour la durée de la conversation, comme lors de l'utilisation de lignes téléphoniques fixes.

 

Architecture du réseau GSM

Le réseau GSM est basé, comme tous les réseaux de téléphonie mobile, sur la notion de cellules, des zones circulaires se chevauchant afin de couvrir une zone géographique.

Ces réseaux reposent sur l'utilisation d'un émetteur-récepteur central au niveau de chaque cellule, appelée « station de base ». Plus le rayon d'une cellule est petit, plus la bande passante disponible est élevée. Ainsi, dans les zones urbaines fortement peuplées, des cellules d'une taille pouvant avoisiner quelques centaines de mètres seront présentes, tandis que de vastes cellules d'une trentaine de kilomètres permettront de couvrir les zones rurales.

Dans un réseau cellulaire, chaque cellule est entourée de 6 cellules voisines. Afin d'éviter les interférences, des cellules adjacentes ne peuvent utiliser la même fréquence. En pratique, deux cellules possédant la même gamme de fréquences doivent être éloignées d'une distance représentant deux à trois fois le diamètre de la cellule.

Dans un réseau GSM, le terminal de l'utilisateur est appelé station mobile. Une station mobile est composée d'une carte SIM (Subscriber Identity Module), permettant d'identifier l'usager de façon unique et d'un terminal mobile, c'est-à-dire l'appareil de l'usager, le téléphone portable.

Les terminaux sont identifiés par un numéro d'identification unique de 15 chiffres appelé IMEI (International Mobile Equipment Identity). Chaque carte SIM possède également un numéro d'identification unique appelé IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Ce code peut être protégé à l'aide d'une clé de 4 chiffres appelés code PIN.

La carte SIM permet ainsi d'identifier chaque utilisateur, indépendamment du terminal utilisé lors de la communication avec une station de base. La communication entre une station mobile et la station de base se fait par l'intermédiaire d'un lien radio.

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(source : CommentCaMarche.net)

L'ensemble des stations de base d'un réseau cellulaire est relié à un contrôleur de stations (BSC), chargé de gérer la répartition des ressources. Enfin, les contrôleurs de stations sont eux-mêmes reliés physiquement au centre de commutation du service mobile (MSC, Mobile Switching Center), géré par l'opérateur téléphonique, qui les relie au réseau téléphonique public et à internet. Le MSC appartient à un ensemble appelé sous-système réseau (NSS, Network Station Subsystem), chargé de gérer les identités des utilisateurs, leur localisation et l'établissement de la communication avec les autres abonnés.

Le MSC est généralement relié à des bases de données assurant des fonctions complémentaires :

  1. le registre des abonnés locaux (HLR, Home Location Register) : une base de données contenant des informations (position géographique, informations administratives, etc.) sur les abonnés inscrits dans la zone du commutateur ;

  2. le registre des abonnés visiteurs (VLR, Visitor Location Register) : une base de données contenant des informations sur les autres utilisateurs que les abonnés locaux. Le VLR rapatrie les données sur un nouvel utilisateur à partir du HLR correspondant à sa zone d'abonnement. Les données sont conservées pendant tout le temps de sa présence dans la zone et sont supprimées lorsqu'il la quitte ou après une longue période d'inactivité ;

  3. le registre des terminaux (EIR, Equipement Identity Register) : une base de données répertoriant les terminaux mobiles ;

  4. le centre d'authentification (AUC, Authentification Center) : il s'agit d'un élément chargé de vérifier l'identité des utilisateurs.

Le réseau cellulaire ainsi formé est prévu pour supporter la mobilité grâce à la gestion du « handover », c'est-à-dire le passage d'une cellule à une autre, ainsi que la notion d'itinérance, le passage du réseau d'un opérateur à un autre.

 

Caractéristiques du GSM

Le GSM utilise deux bandes de fréquences, l'une pour la voie montante, l'autre pour la voie descendante. La bande 890-915 MHz est utilisée pour la voie montante, tandis que la bande 935-960 MHz est utilisée pour la voie descendante. Chacune de ces bandes comprend 124 porteuses, ou canaux, de 200 kHz chacune. La modulation utilisée sur ces porteuses est la GMSK, qui permet d'éviter les chevauchements des porteuses. Chaque porteuse comporte huit « time slots », dont la durée est d’environ 577 μs, et qui représentent les canaux physiques de communication.

Autorisant un débit maximal de 9.6 kbps, la norme GSM permet de proposer aux utilisateurs différents types de services :

  1. La voix ;

  2. Les données (le WAP, le Fax ou bien comme un modem filaire classique) ;

  3. Les messages écrits courts ou SMS ;

  4. Le Cell Broadcast (diffusion dans les cellules), qui permet d'envoyer le même SMS à tous les abonnés à l'intérieur d'une zone géographique ;

  5. Les services supplémentaires (renvois d'appels, présentation du numéro…) ;

  6. Les services à valeur ajoutée, comme par exemple les services de localisation, d'information à la demande (météo, horoscope), de banque (consultation de compte), etc.

 

Modernisation du standard GSM

L'implantation d'un réseau GSM en 900 Mhz avec une bonne couverture est souvent difficile dans beaucoup de pays en développement. Les étendues à couvrir sont énormes, la densité de population très faible par endroit et les moyens financiers pour mettre en place l'infrastructure sont réduits. Le principal problème dans les zones peu peuplées est le nombre élevé de stations de base à installer. Même les pays industrialisés sont confrontés à ce problème de couverture dans les zones rurales.
L'utilisation de fréquences moins élevées augmenterait sensiblement la portée des stations de base. Ainsi en 450 MHz, leur portée serait près du double de ce qu'elle serait en 900 MHz. Ericsson et Nokia travaillent actuellement à la mise au point d'une norme GSM fonctionnant en 450 Mhz ou en 480 Mhz.
Avec ces fréquences, la couverture pourrait atteindre 120 km. C'est particulièrement bien adapté aux zones côtières, désertiques ou rurales, là où le trafic est faible et le terrain plat.
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Rubrique rédigée en août 2007 par Yoann Lelievre (INSA Rennes) pour le Groupe Régional de Recherche en Micro-ondes (G2RM).

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