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Le concept de réseau cellulaire

Le 11 septembre 2003 par Grégoire Bourguignon (27061 lectures) Modifié le 1er janvier 2006.

Les réseaux GSM sont des réseaux cellulaires, c'est-à-dire que chaque antenne arrose un territoire bien défini et que les téléphones mobiles changent de cellule au gré des déplacements de l'utilisateur.

La norme GSM représente un ensemble de documents de plus de 7000 pages. La phase 1 fut élaborée de 1979 à 1990 par une dizaine de pays européens à l’initiative de l’Union Internationale des Télécommunications, la phase 2 sera entièrement publiée en 1995. En juillet 1991, le premier appel téléphonique GSM est effectué. Les premiers services GSM sont commercialisés dès 1994.

Concept de réseau cellulaire

Le GSM (Global System for Mobile communication) utilise un spectre de fréquences dans la bande des 900 MHz (de 890 à 915 dans le sens téléphone - station de base et de 935 à 960 MHz dans le sens station de base - téléphone), spectre à partager entre les différents opérateurs ayant acquis une licence d’exploitation GSM900 (Proximus et Mobistar en Belgique). Or le signal associé à une communication occupe une place de 200 kHz, et il en faut deux pour établir une conversation (signaux téléphone - station et station - téléphone). Nous voyons qu’avec ce portefeuille de fréquences disponibles, nous pouvons établir 31 conversations simultanées par opérateur. Nous nous apercevons donc assez rapidement que l’on ne peut s’en sortir, en terme de nombre d’abonnés actifs simultanément, à moins de réutiliser ces mêmes fréquences dans des zones géographiques différentes. C’est ce que pratiquent les réseaux dits « cellulaires », c’est-à-dire tous les réseaux GSM.

Un réseau cellulaire divise la zone à couvrir, généralement un pays entier, en petites zones appelées cellules. Chacune des cellules est desservie par une station de base (BS pour Base Station) qui reçoit une partie des fréquences disponibles. C’est avec cette station de base que communiquent tous les téléphones mobiles actifs se trouvant dans la cellule concernée. Puisque deux communications radio utilisant la même fréquence interfèrent l’une avec l’autre lorsqu’on se trouve entre les deux émetteurs, les mêmes fréquences ne peuvent être utilisées par deux stations de base voisines.

Les cellules sont généralement représentée sous forme d’exagones. Les six cellules entourant une cellule donnée ne peuvent donc utiliser les mêmes fréquences que celle-ci. Cet ensemble de sept cellules peut être appelé « grappe » (cluster en anglais).

Les différentes stations de base prennent le relais des communications au cours de l’évolution spatiale de l’abonné (handover). Les téléphones sont constamment à la recherche des stations de base voisines de celle à laquelle il est connecté afin de pouvoir changer de station sans devoir interrompre la communication en cas de déplacement de l’utilisateur. C’est pourquoi les cellules doivent être contiguës pour éviter l’interruption des communications lors du déplacement des utilisateurs.

La portée maximale d’un téléphone mobile classique (puissance de 2 Watts) est théoriquement d’une trentaine de kilomètres (lorsque l’antenne du téléphone et celle de la station de base peuvent se voir sans rencontrer d’obstacles). Mais cette distance n’est réellement exploitée que sur la côte, où les bateaux se trouvant à l’horizon sont en mesure de pouvoir téléphoner par l’intermédiaire d’un réseau GSM. Le plus souvent, la portée des stations de base est altérée par des obstacles tels que le relief, les bâtiments, les cages de faraday en cas d’usage à l’intérieur d’un véhicule métallique tel que voiture, train ou ascenseurs, les couches de terre en cas d’usage dans les tunnels ou le métro, etc... Il faut également savoir que les téléphones et les stations de base régulent la puissance de leurs émissions selon la distance les séparant dans le but d’économiser les batteries des téléphones lorsqu’ils captent le réseau convenablement et de limiter les interférences avec les cellules qui ré-utilisent les mêmes fréquences. Les terminaux peuvent ainsi choisir entre seize niveaux de puissance différents selon la puissance des signaux reçus par les antennes avoisinantes.

Mais l’étendue de la couverture n’est pas le seul but recherché lors de l’implantation des stations de base. En effet, puisque le nombre d’utilisateurs actifs simultanés dans une même cellule est limité, la diminution de la taille des cellules, et donc l’augmentation du nombre de cellules, est également un but très important. Cela permet d’augmenter la capacité du réseau afin d’accueillir un plus grand nombre d’abonnés. Les opérateurs recherchent donc à maximiser la taille de leurs cellules dans les zones peu peuplées, afin d’améliorer la couverture de leur réseau, et à la minimiser dans les zones à densité de population élevée afin d’augmenter la capacité de leur réseau.

Le DCS (Digital Cellular System) repose sur la même technologie que celle du GSM mis à part qu’elle utilise la bande des 1800 MHz. Cette différence lui permet l’utilisation d’un spectre de fréquence plus large, ce qui augmente la capacité des cellules. Par contre la puissance des téléphones compatibles est moins grande que celle des appareils GSM, ce qui limite à environ 15 kilomètres la portée des téléphones DCS. Un nombre de stations de base environ quatre fois plus important est donc nécessaire pour couvrir les régions peu peuplées, ce type de réseau est en fait beaucoup mieux adapté à la densité urbaine. En Belgique, l’opérateur Base (anciennement Orange) fut le premier a acquérir une licence d’utilisation de cette bande de fréquence.

Concept de réseau bi-bandes

Ces deux technologies ayant chacune leurs avantages et leurs inconvénients, les trois opérateurs les utilisent toutes deux de manière à profiter de leurs avantages respectifs selon l’endroit où ils souhaitent offrir leur service de téléphonie mobile. Proximus et Mobistar ont commencé par exploiter leur licence GSM900 en construisant un réseau national couvrant 99% de la population belge par l’implantation d’environ 900 stations de base chacun. Orange est ensuite arrivé en Belgique par l’achat d’une licence DCS1800, cet opérateur couvrait alors 92% de la population. Proximus et Mobistar ont ensuite également acquis une licence DCS1800 qu’ils n’utilisent que pour couvrir les centres villes et les aéroports afin d’augmenter la capacité de leur réseau GSM900, créant par cette occasion le concept de réseau bi-bande (dual band network). Orange, devenu Base depuis lors, s’est ensuite offert une licence EGSM900, une bande de fréquences proche de celle du GSM900, ce qui lui permit de porter sa couverture à 98,3% de la population par l’installation d’antennes EGSM dans les zones rurales.

La grande différence entre ces deux stratégies est que la couverture du réseau DCS1800 de Proximus et Mobistar est entièrement incluse dans celle de leur réseau GSM900 alors que la couverture du réseau EGSM900 de Base vient compléter celle de son réseau DCS1800. La conséquence directe de la stratégie de Base est qu’un abonné ne possédant pas de téléphone compatible EGSM900 ne peut profiter que de 92% de la couverture de l’opérateur. Les abonnés Proximus et Mobistar ne possédant pas de téléphones « dual band » ont malgré tout droit à la même couverture que les autres.

Concept de réseau multicouche

Pour palier le manque de capacité réseau suite à l’explosion du nombre de leurs abonnés, les opérateurs ont recours à différentes tailles de cellules : les macrocellules, les microcellules et les picocellules.

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Les macrocellules sont les plus courantes, responsables de la couverture du réseau. Leur zone d’action s’étend jusqu’à 30 km selon les obstacles rencontrés, les antennes des stations de base sont généralement montées sur un mât lui-même parfois érigé sur le toit d’un haut bâtiment pour atteindre une hauteur moyenne de 30 mètres.

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Les microcellules couvrent quelques rues d’un centre ville ou une station de métro (portée maximale de 500m), les antennes des stations de base sont accrochées aux murs des maisons, à quelques mètres à peine du sol. Une microcellule est définie comme une surface délimitée par des immeubles dont la hauteur est supérieure à celle de l’antenne émettrice. Les ondes transmises sont principalement guidées le long des immeubles et non plus par-dessus ceux-ci comme dans le cas des macrocellules, on parle alors de « propagation guidée » ou « street canyon effect ».

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Les picocellules couvrent un étage d’un grand bâtiment ou d’un centre commercial (portée maximale 100m), les antennes sont placées au plafond à l’instar d’un détecteur de fumée.

Ces trois types de cellules permettent aux opérateurs de créer un réseau multicouches leur offrant ainsi une manière de plus pour augmenter la capacité de leur réseau.





Concept de station de base multicellulaire

Chaque station de base peut posséder plusieurs antennes donnant ainsi naissance à plusieurs cellules (appelées secteurs dans ce cas), généralement trois. Des stations de base mono-sectorielles, couvrant donc la zone à 360°, sont utilisées dans les zones très peu peuplées et dans les centres villes pour créer des microcellules. Des stations de base bi-sectorielles, donnant donc naissance à deux cellules de 180° chacune, sont souvent mises en place aux abords des autoroutes, chaque cellule étant alors dirigée vers un sens de route.

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Les stations de base tri-sectorielles sont les plus répandues ; elles génèrent trois cellules de 120°. Enfin, des stations de base quadri-sectorielles sont souvent installés aux quatre coins des immeubles d’agglomération urbaine, alimentant ainsi quatre cellules de 90°.





Concept des faisceaux hertziens

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Afin de relier toutes des stations de base entre elles pour constituer le réseau, les opérateurs utilisent des fibres optiques et/ou des faisceaux hertziens. Il est donc possible de placer une station de base à endroit relativement inaccessible, pour autant que le mât de la station « voit » celui d’une autre station. Les communications entretenues avec les téléphones mobiles se situant dans les cellules de cette station sont alors relayées vers d’autres stations par le biais de faisceaux hertziens (deux petites antennes paraboliques dirigées l’une vers l’autre).

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Dans ce cas il ne reste que l’alimentation électrique à fournir à la station, ce qui peut se faire par un groupe électrogène secondé par un grand réservoir de mazout. Une technique pratique pour couvrir les zones montagneuses ou pour déployer un réseau rapidement. Proximus n’utilise que des fibres optiques pour relier ses antennes entre elles, Mobistar un peu de fibres (notamment celles de la filiale télécom de la SNCB (B-telecom) accrochées aux caténaires des lignes de chemin de fer) et de faisceaux mais surtout des fibres, et Base surtout des faisceaux.


Retrouvez ces photos et bien d’autres dans l’album photo de notre galerie consacré aux antennes.

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