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Le GSM (technique)

Plan

Introduction
Partage des ressources radio ou multiplexage
Généralités
FDMA (Fréquence Division Multiple Access)
TDMA (Time Division Multiple Access)
Canal simplex, Canal Duplex
Canal simplex
Canal duplex
Conclusion
La condition nécessaire pour offrir un service de téléphonie mobile sur tout l'EU est de disposer d'une bande de fréquence commune sur l'ensemble du territoire. D'où l'idée d'instaurer une norme GSM internationale. GSM commence en 1979 par la Conférence Administrative Mondiale des Radiocommunications qui ouvre la bande des 900 MHz.
1982, création de sous-bandes précisées par la Conférence Européenne des Postes et Télécommunications (le coup des 25 MHz de 890MHz à 915MHz, et de 935MHz à 960MHz).
1987, GSM instaure le système de transmission numérique avec multiplexage temporel à bande moyenne. Le type de modulation, le codage de canal, le codage de la parole à débit réduit sont également choisis. Puis, la même année, 13 pays européens signent un protocole d'accord pour l'ouverture concertée du GSM en 1991 (RFA, Belgique, Danemark, Espagne, Finlande, France, Irlande, Italie, Norvège, Pays-Bas, Portugal, Suède, Royaume-Uni). L'Autriche, le Luxembourg, la Suisse et la Turquie signent ultérieurement l'accord.
En France, un arrêté ministériel donne le 25 mars 1991 l'autorisation aux deux opérateurs des réseaux analogiques, France Télécom et SFR, de déployer un réseau GSM.
1991, première communication entre un abonné du réseau téléphonique et un terminal GSM de laboratoire est effectuée. Même date, les britanniques adaptent le GSM à la bande des 1800, le système désigné par DCS (Digital Cellular System). En France, Bouygues est sélectionné en Septembre 1994 pour déployer un réseau DCS sur les grandes villes.
1995, de nouvelles améliorations GSM sont publiées. Elles servent de référence à cet ouvrage. Elles unifient les systèmes GSM et DCS. L'appellation GSM inclut donc le DCS 1800.
De nouvelles améliorations sont prévues. Elles prévoient des terminaux bi-modes permettant l'interfonctionnement total GSM 900 et DCS 1800, la spécification des cartes SIM pro-actives, l'utilisation des concepts de réseau intelligent et le routage optimal. Elles envisagent aussi de nouveaux services comme l'identification d'appels malveillants, des possibilités d'appels de groupe demandées par les chemins de fer européens qui ont adopté la norme GSM.
Dans la plupart des autres pays, elle est en concurrence avec d'autres normes de radiotéléphonie numérique, en général originaires des Etats-Unis ou du Japon. Mars 2000, 300 millions d'utilisateurs dans le monde, dont 22.6 millions en France, et 17 pays européens adhérent à la norme GSM. Mettons-nous dans le bain avec ce petit schéma résumant l'ensemble des transformations subies par l'information que l'on veut transmettre.

Tout d'abord le locuteur émet un signal sonore sous forme d'onde sonore. Cette onde, captée par un microphone est transformée en signal électrique. Ce signal électrique est découpé en intervalles de temps de 20 ms, puis 'modulé', qui est une opération nécessaire pour émettre un signal à une fréquence donnée, comme nous le verrons dans la suite. Le signal électrique obtenu est émis par un émetteur, puis capté par un récepteur du combiné de l'interlocuteur. Le signal électrique subit ensuite le traitement inverse à savoir 'démodulation', puis collage des paquets de 20 ms de parole reçue afin de restituer à travers un haut parleur l'intégralité du signal sonore.

Qu'est-ce que le GSM ? Global System for Mobile Communications, qui est un ensemble de normes fixés permettant d'utiliser au mieux la bande de fréquence allouée au GSM (890MHz - 915MHz), afin de pouvoir supporter le maximum de communications à la fois. Il faut savoir qu'il y a principalement 3 types de modulations : par amplitude, par phase et par fréquence. La modulation par fréquence a été retenue car elle limite les interférences. Cette affirmation demandant des connaissances plus précises en la matière, je vais vous demander d'admettre.
En règles générales, la modulation consiste à transformer un signal porteur d'informations par l'intermédiaire d'une porteuse (c'est son nom), qui est une fonction de haute fréquence, fixée à chaque portable, afin d'obtenir une fonction qui à la fois porte l'information qu'on veut transmettre, et son spectre se trouve au voisinage de la fréquence de la porteuse.
Dans cet exemple, on prend une fonction cosinus de faible fréquence et une porteuse de haute fréquence, et on obtient à la fin une fonction différente, peu étendue dans son spectre et qui se situe au voisinage de la fréquence de la porteuse (ce qui ne saute pas aux yeux, mais qui se vérifie), et qui a surtout conservé l'information à travers les variations de sa fréquence. En effet, on peut observer que lorsque le signal atteint un minimum, la fréquence du signal modulé est faible, alors que lorsque le signal atteint un maximum, la fréquence du signal modulé est élevé. Ceci est du à la formule de modulation, qui fait apparaître une fréquence instantanée (fp + kf(t)).
En pratique, on découpe un signal de durée 20 ms, qu'on décompose par la décomposition de Fourier, et après avoir modulé la porteuse par tous les composants sinusoïdaux et cosinusoïdaux, on obtient la porteuse modulé en fréquence par le signal.

Cette modulation permet un sécançage du spectre alloué au GSM, et ainsi créer des canaux. La largeur d'un canal est d'environ 200 kHz, et comme le GSM dispose de la bande de fréquence 890-915 MHz, cela fait 124 canaux disponibles. Ce séquençage est le FDMA. En plus de cette division par la fréquence, afin d'avoir une plus grande capacité, on va utiliser la TDMA, Time Division Multiple Access, c'est à dire la division par le temps.
Plaçons-nous au niveau d'un canal de fréquence : 900 MHz, par exemple.

On va maintenant échantillonner le temps. D'une part en intervalles de temps de 4.6 ms, qu'on appellera 'Trame TDMA', puis on va diviser cette trame en 8 intervalles de temps de 577s chacune, qu'on va appeler des 'slots'. A l'intérieur de ces slots sera intégrée l'information correspondant à 20 ms de parole.

Le mobile recevra donc à des intervalles de temps réguliers des échantillons qu'elle recollera afin de restituer toute l'information. En résumé, à un utilisateur est allouée une fréquence de porteuse, et un numéro de slot. Le canal simplex est formé par un numéro de slot dans la Trame TDMA sur une fréquence donnée, c'est à dire en quelque sorte les coordonnées d'un utilisateur. Aucun autre utilisateur dans une même zone n'a la même coordonnée, c'est à dire le même canal simplex, du au risque d'interférences. Ce schéma résume les deux procédés décrits précédemment, le TDMA et le FDMA, formant ce qu'on appelle le multiplexage.

Lors d'une communication, il est essentiel de pouvoir émettre, mais aussi de recevoir. C'est pour cela que la norme GSM a prévu deux bandes de fréquences, l'une entre 590-915 et l'autre entre 935-960. La première est la voie montante, c'est à dire réservée à l'émission à partir des mobiles, et la deuxième est la voie descendante, c'est à dire réservée à l'émission à partir des antennes. Le duplexage consiste simplement en la division du spectre hertzien en deux bandes, l'une montante, l'autre descendante, qui permet les communications. Le canal duplex est donc l'ensemble de deux canaux simplex allouée à un utilisateur. Ces deux canaux simplex sont séparés de 45 MHz, appelé écart duplex. D'autre part, un mobile émet et reçoit à des instants différents.

Imaginez une conversation. En se plaçant à une échelle de temps très petite, on s'aperçoit qu'entre l'émission et la réception, il y a un décalage de 1 ms. La durée d'un slot étant de 0.5 ms à peu près, l'utilisateur émettrait au slot 0, et recevrait au slot 3, ce qui créerait des complications au niveau du traitement de l'information. Afin d'éviter cela, on décale les limites de la trame TDMA de la voie descendante de 3 slots. Voici donc un aperçu de la transmission par l'interface radio. Le système GSM est aujourd'hui en pleine expansion. Bien que les fréquences aux alentours de 1000 soient fortement exploités, les fréquences plus hautes par contre, le sont moins. Leur utilisation demandera une technologie plus avancée, et des installations plus importantes, mais donnera naissance aux téléphones mobiles hauts débits de la 3^ème génération, permettant l'accès à Internet. Si vous voulez m'écrire, je vous répondrai avec plaisir !
Bien sûr, je n'ai pas inventé tout ça. Je remercie Sylvain pour m'avoir donné son texte (il y a quelques années déjà...).

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