Réseau de téléphonie mobile (GSM):

Un réseau de téléphonie mobile est un réseau téléphonique qui permet l'utilisation simultanée de millions de téléphones sans fil, immobiles ou en mouvement, y compris lors de déplacements à grande vitesse et sur une grande distance.



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 techniques .

  

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  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 ?

• Réseaux GSM 'Global System for Mobile ':

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 privés 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 pays . En Europe, la téléphonie mobile GSM a reçu deux groupes de fréquences : autour de 900 MHz et autour de 1800 MHz (mégahertz).

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.

des Fréquences historiques affectées aux premiers opérateurs GSM en France au début des années 2000  :

            

	Émission (en MHz)	Réception (en MHz)
Groupe 1	890-915	935-960
Groupe 2	1710-1785	1805-1880

Vient ensuite la subdivision en canaux. En GSM, l'écart de fréquence entre deux canaux adjacents a été fixé à  0,2 MHz . Le groupe 1 défini ci-dessus peut donc contenir 125 canaux (25 MHz/0,2 MHz) et le groupe 2 en contient 375 canaux , ce qui fait 500 au total. S'il n'y avait qu'un émetteur pour toute l'Europe, on ne pourrait effectuer que 500 communications à la fois.

=> 1er solution pour les 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" . 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 "International Mobile Subscriber Identity" : numéro unique, qui permet à un réseau mobile GSM, UMTS ou LTE d'identifier un usager. Ce numéro est stocké dans la carte SIM (USIM en UMTS et LTE) et n'est pas connu de l'utilisateur), 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 de ce dernier principe "le damier hexagonal":

Les fréquences utilisées par les émetteurs ont alors été divisées. Les antennes gérées par les (BTS)  sont souvent regroupées par trois sur un pylône ou suivant une configuration équivalente, chacune émet dans un angle de 120°, soit 360° au total (3 * 120°). Chacune de ces antennes supporte donc un tiers des communications. Sur le schéma , chaque couleur (vert, bleu, jaune) figure un groupe de fréquences différentes. Elles créent ainsi un " damier hexagonal " de cellules. Ce damier est avant tout une vue de l'esprit, les zones se recouvrant les unes avec les autres et leur taille varie avec la météo, le nombre d'utilisateurs, etc. Chaque antenne utilise un groupe de fréquences hertziennes différentes de ses voisines ; les mêmes fréquences ne sont donc réutilisées qu'à une distance permettant de ne pas créer d'interférences. 

                       

Mais cela pose un problème pour la localisation du destinataire d'un appel. Lorsque le téléphone (MS "Mobile Station") décide de changer de cellule, il informe via la BTS et la BSC(Base Btation Contoller), 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 .

Pour augmenter le nombre d'utilisateurs dans une zone géographique, on peut augmenter le nombre de cellules en réduisant leur taille.

=>  Solution complémentaire "multiplexage temporel":

Structure d'un réseau GSM, à gauche : la partie radio (BSS ou GERAN) et à droite : le cœur de réseau (NSS et Core Network)

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 (0.2 MHz), 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 .

=> Du GSM au 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 . 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.