Soutenance mémoire
Historique de l’évolution des réseaux mobiles
Les réseaux de première génération
La première génération des téléphones mobiles a commencé dans le début des années 80.Le premier réseau cellulaire a été lancé par le NTT (Nippon Telegrah and telepnone) au Japon en 1979 et suivi par le NMT (Nordic Mobile Telephone) dans les pays nordiques (Norvège, Suède, Danemark, Finlande), l’AMPS (Advanced Mobile Phone System), le TACS (Total Access Communication System). Ainsi a commencé le développement de la téléphonie mobile. Les réseaux de première génération utilisaient des techniques purement analogiques et des appareils de taille relativement volumineuse. Ils ont été exclusivement conçus pour supporter la voix. La transmission de la voix a été faite en utilisant un signal FM (Frequency modulation) à bande étroite dans un FDMA-FDD (Frequency Division Multiplexing Acess, Frequency Division Duplex). Une lacune majeure des systèmes 1G était le manque de sécurité. La transmission pourrait être facilement écoutée, de plus messages de signalisation pourraient être utilisés. Cela a permis aux intrus de faire des choses comme lire la lecture de l’identité d’un utilisateur.
Les réseaux de deuxième génération
Grâce à l’émergence de la technologie numérique, dans les années 80 une deuxième génération de normes et de systèmes de communications mobiles est apparue. La 2G a introduit le traitement numérique et TDMA (Time Division Multiplexing Access).Dans ce système, la modulation était numérique, les signaux audio ont été compressés par des algorithmes avant transmission, traitant typiquement le signal de parole en blocs. En outre, il a introduit le cryptage, et l’itinérance était un must. L’infrastructure du réseau était plus efficace, comprenant huit canaux de trafic sur une porteuse de 200 kHz. Cela a permis d’augmenter la capacité des systèmes, de donner une qualité plus constante du service, et de développer des dispositifs beaucoup plus attractifs et véritablement mobiles. Avec la deuxième génération de communications mobiles numériques sont venus également la possibilité de fournir des services de données sur les réseaux mobiles de communication.
Les services de données primaires introduites en 2G étaient la messagerie texte (Short Message Services, SMS) et les services de données à commutation de circuits permettant à d’autres applications de données e-mail et fax, à un débit de données de pointe modeste de 9,6 kbit/s. Les standards 2G les plus utilisés sont le GSM (Global System for Mobile Communication, l’IS-95 (Interim Standard-95) qui est basé sur le codage CDMA (Code Division Multiple Access) et l’IS-136 (Interim Standard-136) qui se base sur le codage TDMA (Time Division Multiple Access). Le GSM est cependant le standard ayant connu la plus grande percée avec l’utilisation de la bande des 1900MHz en Amérique du Nord et au Japon et de la bande des 900MHz et 1800Mhz sur les autres continents. C’est d’ailleurs sur ce standard que se basent les réseaux GPRS (General Packet Radio Service : 2.5G) et EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution : 2.75G) qui sont venus corriger les faibles débits du GSM. Des débits de données plus élevés ont été alors introduits plus tard dans les systèmes 2G évolués en assignant plusieurs intervalles de temps à un utilisateur et par des systèmes de codage modifiés. Les données par paquets sur les systèmes cellulaires sont devenues une réalité au cours de la deuxième moitié des années 1990, avec le Service Général de Paquets en Radiocommunications (GPRS ou «General Packet Radiocommunications Service») introduites dans le GSM et les données par paquets également ajoutées à d’autres technologies cellulaires tels que la norme PDC japonais.
L’objectif du GPRS est d’apporter un service support de commutation de paquets sur l’interface radio ainsi qu’un accès à des réseaux de données externes (IP, X.25). GPRS a présenté une modulation différente et des schémas de codage (MCS), mais il lui manquait une adaptation pratique du lien automatique. La programmation des paquets avait été introduite, ainsi que le partage de la même ressource radio pour une multiplicité d’utilisateurs, mais les débits de données disponibles sont restés relativement bas. La concaténation de plusieurs slots radio sur une même porteuse a été introduite, mais l’implémentation pratique des terminaux n’arrive pas à utiliser les taux maximaux théoriquement possibles. Ainsi a débuté les travaux sur EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) qui est une technologie de couche physique. EDGE a introduit un nouveau format de modulation au concept GSM (8-PSK), pour permettre des débits de données très élevés dans un lien radio. Il comporte une adaptation automatique du lien qui permet d’ajuster le MCS selon la qualité du canal. HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) a été introduit également. En utilisant le nouveau schéma de modulation et plusieurs timeslot de la 2G système a été en mesure de fournir des taux de données graves pour la première fois.
Les réseaux de troisième génération
La troisième génération des réseaux mobiles (3G) est apparue pour établir des normes internationales afin de garantir une compatibilité mondiale, une mobilité globale, la compatibilité avec les réseaux 2G et des débits de 2 Mbps pour une mobilité faible et allant jusqu’à144 kbps pour une mobilité forte. Les principales normes 3G sont le CDMA2000 et l’UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). La norme CDMA2000 est une amélioration de la norme IS-95 et n’est pas compatible avec le GSM La 3G vise à augmenter les débits de données significativement et a permis d’introduire une gamme de nouveaux services qui ont été seulement fait allusion aux 2G et 2.5G. Cela a été rendu possible grâce à l’utilisation une bande passante plus large (5 MHz) et un taux de symbole plus élevé. Avec la release 5 le concept HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) est devenu une partie de la norme, elle a introduit des améliorations techniques importantes pour le support des services de données dans liaison descendante. Dans la release 6, des améliorations pour la liaison montante (UL) ont été introduites (HSUPA, High Speed Uplink Packet Access), qui a transformé le WCDMA en HSPA High speed packet Access).
Les réseaux de quatrième génération
La quatrième génération (4G) des systèmes cellulaires sans fil a été un sujet d’intérêt pour un temps assez long, depuis que la définition formelle de la troisième génération (3G) des systèmes mobiles a été officiellement achevée par l’Union Internationale des Télécommunications-Secteur des Radiocommunications. L’UIT-R a spécifié une série d’exigences concernant la valeur minimum des débits de données de l’utilisateur dans des environnements différents à travers ce qui est connu comme le projet 2000 de télécommunications mobiles internationales (IMT2000). Suivant les critères de l’Union internationale des télécommunications (UIT), le réseau 4G devrait offrir des vitesses de téléchargement de 100 Mbit/s pour un utilisateur en mouvement et de 1 Gbit/s en mode stationnaire. Les seules technologies qui devraient satisfaire à ces critères sont le LTE (Long Term Evolution) avancé et le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) avancé. Néanmoins, en décembre 2010, l’ITU a décidé d’élargir la définition de la 4G. Ainsi on peut appeler 4G les réseaux HSPA+, LTE et WiMAX. Les réseaux mobiles 4G utilisent les technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), AAS (Adaptive Antenna Systems), AMS (Adaptive Modulation Schemes), AES (Advanced Encryption Standard) et IP (Internet Protocol). Ces technologies leur permettent d’atteindre des débits de plusieurs dizaines de Mbps et introduisent les principales fonctionnalités nécessaires pour permettre la mobilité à de très grandes vitesses. La raison fondamentale de la transition vers le tout-IP est d’avoir une plate-forme commune pour toutes les technologies qui ont été développées en douceur et d’harmoniser avec les attentes des utilisateurs Des nombreux services à fournir. La différence fondamentale entre le GSM / 3G et le toul-IP est que la fonctionnalité du RNC et BSC est maintenant distribuée à la BTS et un ensemble de serveurs et de passerelles. Cela signifie que ce réseau sera moins coûteux et le transfert de données sera beaucoup plus rapide.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 EVOLUTION DES SYSTEMES CELLULAIRES
1.1 Introduction
1.2 Historique de l’évolution des réseaux mobiles
1.2.1 Les réseaux de première génération
1.2.2 Les réseaux de deuxième génération
1.2.3 Les réseaux de troisième génération
1.2.4 Les réseaux de quatrième génération
1.3 Evolution de la 4G vers la 5G
1.3.1 Cas d’usage de la 5G
1.3.2 Leviers de la 5G
1.4 Le spectre pour la 5G
1.4.1 Les principaux spectres cibles
1.4.2 Motivation de l’utilisation des ondes millimétriques
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 PROPAGATION DES ONDES MILLIMETRIQUES
2.1 Introduction
2.2 Caractéristiques de propagation des ondes millimétriques
2.2.1 Haute directivité
2.2.2 Système limité par le bruit
2.3 Interaction des ondes millimétriques avec l’environnement extérieur
2.3.1 Mécanisme de la propagation
2.3.2 Les facteurs d’atténuation des ondes millimétriques
2.4 Caractéristique du canal millimétrique
2.4.2 Phénomènes à grande échelle
2.4.3 Phénomènes à petite échelle
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 LE MODELE DE PROPAGATION MAP-BASED
3.1 Introduction
3.2 Les différents modèles existants
3.2.1 WINNER/IMT-Advanced/3GPPP-3D
3.2.2 COST 2100
3.2.3 IEEE 802.11 ad
3.2.4 Ray tracing
3.3 Failles sur les modèles existant
3.3.1 Modèles 2D
3.3.2 Bande de fréquence incomplète
3.3.3 Bande passante limité
3.3.4 Nombre de scenario limité
3.3.5 Incohérence sur la corrélation en D2D (device to device)
3.3.6 Incohérence des paramètres d’évanouissement à petite échelle
3.3.7 Problème au large réseau d’antennes
3.3.8 Double mobilité
3.4 Les modèles de METIS : le map-based et le modèle stochastique
3.5 Détail sur le « map-based model »
3.5.1 Création de l’environnement
3.5.2 Détermination du trajet
3.5.3 Détermination des matrices de propagation pour chaque segment de trajet
3.6 Conclusion
CONCLUSION
