Chapitre 3

Les RESEAUX TELEPHONIQUES

L'objet de ce chapitre est de présenter de la manière la plus synthétique possible le réseau téléphonique sans prétendre à une description exhaustive. Les réseaux téléphoniques sont spécifiques à chaque pays même si les ressemblances sont nombreuses. Ce chapitre reprend le vocabulaire et la structure du réseau de l'opérateur historique France Télécom. Le lecteur intéressé par une description plus détaillée se reportera utilement à des ouvrages spécialisés. L'évolution de ce réseau vers le RNIS (Réseau Numérique à Intégration de Services) et vers les réseaux mobiles est prise en compte, une introduction au RNIS large bande est également proposée.

3. 1. Architecture gEnErale du rEseau tElEphonique

Le service offert par le Réseau Téléphonique Commuté (RTC) appelé en anglais Public Switched Telephone Network (PSTN) est de mettre en relation deux postes d'abonnés. L'échange d'informations nécessaires à l'établissement, au maintien et à la rupture de la relation s'appelle la signalisation. Le RTC est organisé en trois sous-parties : commutation, transmission et distribution. La commutation est la partie centrale du réseau. Elle permet de réaliser la mise en relation temporaire entre les abonnés. Elle est constituée de commutateurs de circuits comme décrit dans les chapitres suivants.

La transmission désigne l'ensemble des techniques mises en oeuvre pour relier les commutateurs entre eux. Les supports utilisés peuvent être divers : fibres optiques, faisceaux hertziens. câbles métalliques. Chaque support peut transporter de multiples communications simultanément. L'objectif recherché est de les dimensionner pour les utiliser au mieux tout en offrant une qualité de service suffisante. L'ensemble des commutateurs et des supports de transmissions entre commutateurs est appelé réseau de transmission ou réseau de transport. Celui de France Télécom est entièrement numérique depuis 1996.

La distribution désigne l'organisation technique mise en oeuvre pour relier les abonnés au commutateur le plus proche (appelé commutateur de rattachement). L'ensemble des dispositifs permettant cette liaison est le réseau de distribution. Le réseau de distribution est encore en grande partie analogique en 1998. Dans le Réseau Numérique à Intégration de Service (RNIS), désigné sous le terme commercial de Numéris par France Télécom, le réseau de distribution est entièrement numérique. L'usager peut donc disposer d'une liaison complètement numérique entre deux postes d'abonnés reliés au RNIS.

Figure 3.1. Les trois sous-parties du réseau téléphonique

3. 2. La commutation

3. 2. 1. Architecture hiérarchique

De multiples circuits relient les paires de commutateurs. L'ensemble des circuits passant par un même chemin s'appelle un faisceau. Les différentes techniques de multiplexage permettent de faire passer plusieurs centaines de circuits sur un même support. La nécessité d'assurer un bon fonctionnement du réseau même en cas de rupture d'un support conduit à dupliquer les faisceaux entre les commutateurs même lorsque la charge à écouler ne le justifie pas.

La structure d'origine du réseau de France Télécom est hiérarchique avec 3 niveaux : Commutateur à Autonomie d'Acheminement (CAA), Commutateur de Transit Secondaire (CTS) et Commutateur de Transit Principal (CTP).

Les CAA sont au bas de la hiérarchie : ils accueillent les abonnés et peuvent établir différents types de communications : lorsqu'une communication concerne deux abonnés d'un même CAA, celui-ci gère l'établissement de manière totalement autonome. Dans le cas contraire, il fait transiter la communication vers d'autres commutateurs, CTS voire CTP.

Lorsque le trafic à écouler entre deux CAA le justifie, ceux-ci sont reliés entre eux par des faisceaux directs. Une étude de dimensionnement de ces faisceaux fui apparaître qu'au-delà d'un certain seuil, les circuits qu'on rajoute pour supporter les pointes de charge écoulent en réalité un trafic très faible : on est donc conduit à les dimensionner pour avoir la meilleure rentabilité économique et à faire passer le trafic par les CTS ou CTP lorsque les faisceaux directs sont saturés. Ce trafic est appelé trafic de débordement. Un centre de transit peut écouler un trafic normal entre CAA non reliés et un trafic de débordement.

Figure 3. 2. Hiérarchie des centraux dans le réseau France Télécom

Dans les zones à faible densité, les abonnés sont rattachés à des Commutateurs Locaux (CL). Ceux-ci sont reliés à un CAA et n'ont pas d'autonomie d'acheminement : ils servent principalement de concentrateur de trafic et font transiter toutes les communications par le CAA. En 1996, il y avait 1325 CAA, plus de 9000 CL, 70 CTS et 8 CTP.

3. 2. 2. Fonctions et architecture d'un commutateur

La principale fonction d'un commutateur est la connexion, c'est-à-dire la liaison temporaire entre deux jonctions. Une jonction désigne, dans ce cas, soit un circuit (vers un autre commutateur), soit une ligne d'abonné. La fonction de connexion est assurée par un réseau de connexion.

L'établissement des connexions nécessite l'échange de signalisation entre les commutateurs et une logique d'enchaînement d'actions, désignée sous le terme de traitement d'appel. Elle est assurée par la fonction de commande. Cette fonction comprend de plus la gestion de la taxation, de l'exploitation et de la maintenance. Les fonctions de signalisation et de commande sont réalisées dans le commutateur par un ordinateur appelé unité de commande.

Des Unités de Raccordement d'Abonnés (URA) fournissent l'énergie suffisante à l'alimentation des postes téléphoniques des usagers, adaptent la transmission aux caractéristiques électriques nécessaires, détectent le décroché et le raccroché d'un poste. Sur ordre de l'organe de commande, elles génèrent une sonnerie vers un poste et exécutent des tests des lignes d'abonnés. De la même façon un ensemble de joncteurs permet une transmission adaptée vers les autres commutateurs.

L'unité de raccordement d'abonnés a également une fonction de concentration la probabilité que l'ensemble des abonnés d'une même URA communiquent simultanément étant faible, le nombre de liaisons entre l'URA et le réseau de connexion est inférieur au nombre d'abonnés raccordés à l'URA (cf. figure 3.3). Les commutateurs locaux sont constitués d'Unités de Raccordement d'Abonnés Déportées (URAD) qui concentrent le trafic provenant de zones à faibles densités.

Figure 3. 3. Architecture d'un commutateur

3. 2. 3. Déroulement d'un appel

Nous allons dans cette partie décrire les étapes élémentaires de l'établissement d'un appel dans le cas de postes d'abonnés analogiques. Nous considérerons un abonné a relié à un commutateur A qui désire appeler un abonné b relié à un commutateur B différent. Nous supposerons que les deux commutateurs A et B sont directement reliés. Le lecteur pourra aisément étendre cette description à des cas plus généraux. La description des échanges est faite pour un cas générique : elle s'applique aussi bien au cas d'une liaison numérique entre centraux qu'à une liaison analogique.

a. La présélection

L'abonné a décroche tout d'abord son téléphone dans l'intention d'appeler un correspondant. Le commutateur détecte le décroché et avertit l'abonné, par une tonalité continue, qu'il est disponible à recevoir de la signalisation. Pour ce faire, le commutateur doit connecter la ligne d'abonné à un équipement appelé enregistreur qui peut décoder cette signalisation (cf. figure 3.3). Il y a évidemment moins d'enregistreurs que d'abonnés reliés au commutateur. Ceux-ci doivent donc être dimensionnés soigneusement. Le choix d'un enregistreur libre et la connexion de l'abonné à celui-ci s'appelle la présélection.

b. L'enregistrement et la traduction

L'abonné a compose alors le numéro du demandé sur le clavier. Ceci provoque des impulsions par coupures successives de la ligne ou l'émission de tonalités suivant le type de téléphone utilisé. L'enregistreur du commutateur A est capable de décoder cette signalisation et de stocker les numéros correspondants : c'est l'enregistrement. Au fur et à mesure qu'il reçoit les chiffres, l'organe de commande les analyse pour déterminer si le numéro est complet. Dès que c'est le cas, il détermine la destination de l'appel. Les premiers chiffres du numéro composé donnent en général le numéro du commutateur appelé. L'organe de commande peut déterminer grâce à ses tables de routage vers quel commutateur il faut acheminer l'appel et quels sont les joncteurs concernés l'étape de traduction est terminée.

c. La sélection conjuguée

Le commutateur A doit réserver un joncteur libre vers le commutateur B et être capable d'établir une connexion entre l'abonné a et le joncteur : il y a donc sélection conjuguée d'un joncteur et d'une connexion. Les joncteurs et les circuits entre commutateurs doivent être dimensionnés pour pouvoir écouler suffisamment de communication à l'heure de pointe. S'il n'y a pas de joncteur libre, l'appel échoue et n'est pas mis en attente : c'est un système à perte.

Le commutateur A transmet la signalisation nécessaire à l'établissement de l'appel, c'est-à-dire principalement le numéro du demandé vers le commutateur B. Celui-ci analyse le numéro transmis et détecte que l'appel est destiné à l'abonné b. Trois cas peuvent se présenter :

- l'abonné b est disponible,

- l'abonné b est déjà en communication,

- il est impossible pour le commutateur d'établir la communication.

Dans les deux derniers cas, le commutateur B renvoie une signalisation indiquant l'impossibilité d'établir l'appel au commutateur A. Ce dernier génère alors une signalisation indiquant l'occupation, et libère le joncteur (et par conséquent le circuit) réservé auparavant.

Dans le cas où l'abonné b est libre, le commutateur B renvoie un message de signalisation vers le commutateur A indiquant la progression de l'appel, réserve une connexion entre le joncteur concerné et le poste b et active la sonnerie du poste b. Le commutateur B génère une tonalité de sonnerie vers le commutateur A.

d. La connexion

Le commutateur A établit alors la connexion entre l'abonné a et le joncteur concerné : a entend alors la tonalité correspondant à un retour de sonnerie produit par B.

e. La supervision et la taxation

Lorsque l'abonné b décroche son téléphone, le commutateur B détecte ce décroché. Il établit la connexion entre le joncteur réservé et la ligne d'abonné b. Il transmet au commutateur A une signalisation lui signifiant le début de la communication : le commutateur A peut alors démarrer la taxation. Pendant toute la communication, les commutateurs doivent surveiller si un des deux intervenants raccrochent ou si une éventuelle défaillance coupe la communication en cours : c'est la supervision.

La communication peut être rompue sur action de l'appelant ou de l'appelé mais dans tous les cas, c'est le commutateur de l'appelant (commutateur A dans cet exemple) qui prend la décision de libérer les connexions. Si b raccroche le premier, le commutateur B envoie une signalisation de raccroché vers A. Ce dernier lance alors une temporisation. Si b décroche à nouveau avant l'expiration de celle-ci, la communication est maintenue. Dans le cas contraire, A arrête la taxation, transmet un message de libération vers B, libère la connexion établie et le joncteur utilisé ; B libère à son tour la connexion. Dans le cas où l'abonné a raccroche le premier, seule cette phase apparaît (la libération est donc immédiate).

3. 2. 4. Appel international

Lorsque les abonnés ne sont pas sur des centraux directement reliés, l'établissement d'appel s'effectue pas à pas comme décrit précédemment en passant par un ou plusieurs centraux intermédiaires. C'est le cas notamment de l'appel international où entrent enjeu des CTI, Commutateurs de Transit Internationaux.

L'ITU a défini un plan de numérotation international, bien connu des usagers, pour repérer chaque abonné par un numéro unique [E.164]. Celui-ci comprend un code de pays sur 1, 2 ou 3 chiffres suivant la taille du pays (33 pour la France). Le plan de numérotation est le même pour le RTCP et le RNIS mais il évolue avec le développement des opérateurs privés, l'augmentation du nombre d'abonnés et surtout l'internationalisation des télécommunications. Il est, par exemple, envisagé d'offrir un service de libre appel (appel facturé à l'appelé) au niveau international.

3. 2. 5. Signalisation sémaphore

Jusqu'aux années 1970, le réseau téléphonique était purement analogique. La signalisation entre centraux se faisait par transmission de tonalités spécifiques. Les réseaux téléphoniques, notamment en France, utilisent maintenant les techniques numériques : transmission numérique sur voies MIC et centraux temporels. Parallèlement à la numérisation du réseau, a été ressentie la nécessité d'améliorer la rapidité d'échange de la signalisation. De plus, de nouveaux services comme le transfert d'appel ont été ouverts. Ceux-ci peuvent conduire à l'échange de signalisation sans établissement réel d'un circuit de communication. Il est paru nécessaire de séparer la signalisation de la transmission et de faire transiter cette signalisation sur un réseau spécifique : c'est la signalisation par canal sémaphore [MAN 91] ou, plus simplement, la signalisation sémaphore.

Par opposition à la signalisation voie par voie, la signalisation par canal sémaphore est définie comme une méthode dans laquelle une seule voie, appelée canal sémaphore, achemine la signalisation se rapportant à une multiplicité de circuits. La signalisation sémaphore peut également servir à échanger des messages de gestion et de supervision entre commutateurs.

Le principal système de signalisation par canal sémaphore est celui défini par l'ITU dans la série de recommandations Q700. Il est couramment appelé SS7 (Signalisation Sémaphore 7), CCITT n°7 (ancien nom de l'ITU) ou CCS7 (Common Channel Signalling System number 7). Son principal objectif est de définir un standard de signalisation au niveau mondial optimisé pour les réseaux numériques, fiable et évolutif pour convenir à l'élaboration de services futurs. Il est particulièrement adapté pour travailler sur des voies à 64 kbit/s. Un canal sémaphore à 64 kbit/s peut commander typiquement 2000 circuits.

Les avantages de la signalisation sémaphore sont les suivants:

Ø  possibilité de transférer de la signalisation pure indépendamment de l'établissement d'un circuit,

Ø  forte réduction des délais de transfert de la signalisation grâce à la transmission numérique permettant de diminuer le temps d'occupation inefficace des circuits et d'offrir un meilleur service à l'utilisateur,

Ø  possibilité de réserver les circuits pour un appel seulement lorsque le correspondant demandé est réellement joignable (fonctionnalité, appelée test préalable, non réalisée en 1998 dans beaucoup de réseaux).

Les inconvénients sont :

Ø  une plus grande complexité puisqu'il faut désigner le circuit auquel le message de signalisation se rattache,

Ø  une grande sensibilité aux pannes car l'établissement d'un circuit ne garantit pas que celui-ci fonctionne réellement ; de plus la rupture d'un canal sémaphore entraîne l'impossibilité d'établir un ensemble de communications. Il faut donc mettre en place des mécanismes de défense.

Notons que dans cette partie, nous traitons de la signalisation entre centraux téléphoniques et non de la signalisation dans le réseau de distribution.

a. Eléments du réseau

L'ensemble des canaux sémaphores d'un réseau téléphonique forme un réseau sémaphore qui utilise le principe de la commutation par paquets en mode datagramme. Les utilisateurs du réseau sémaphore sont les centraux téléphoniques qui génèrent et interprètent les messages de signalisation. Dans ce contexte, ils sont appelés PS (Points Sémaphores) ou SP (Signalling Point). Pour permettre d'échanger des messages entre deux commutateurs téléphoniques qui ne sont pas reliés entre eux par un canal sémaphore, on place des commutateurs de paquets appelés PTS (Points de Transfert Sémaphore) ou STP (Signalling Transfer Point). Comme tout commutateur de datagrammes, un PTS stocke les messages de signalisation, analyse leur en-tête pour effectuer le routage et les retransmet au destinataire ou un autre PTS plus proche du destinataire.

La signalisation sémaphore consiste à séparer logiquement l'aspect signalisation de l'aspect transmission des informations usagers (généralement la voix sur un réseau téléphonique classique). Le réseau de transmission achemine seulement les informations usager, le réseau sémaphore la signalisation. Cependant, les deux réseaux peuvent réutiliser les mêmes supports physiques de transmission. Imaginons une fibre optique entre deux centraux à Rennes et à Lyon qui supporte 1920 voies MIC à 64 kbit/s. Un opérateur déployant un réseau sémaphore ne vu évidemment pas installer une nouvelle fibre optique. Il va réserver une voie pour la signalisation sémaphore, les 1919 autres étant utilisées pour les conversations téléphoniques. Dans les centraux, les dispositifs de multiplexage/démultiplexage permettent de relier la voie de signalisation à un PTS et le reste au réseau de connexion via les joncteurs.

On représente classiquement le réseau sémaphore et le réseau téléphonique sur des plans parallèles, comme dans la figure 3.4.

Figure 3.4. Exemple de réseau sémaphore SS7

b. Architecture en niveaux

Le réseau sémaphore étant un réseau à commutation par paquets, il est naturel de reprendre une architecture en couches. Dans le contexte du SS7, on parle plutôt de niveau mais le concept est le même. Pour les services de téléphonie, le SS7 est structuré en 3 niveaux sur lesquels est directement placé l'applicatif (cf. figure 3.5). Nous nous trouvons dans un cas où l'ensemble des 7 couches OSI n'est pas utilisé.

Le Sous-Système de Transfert de Messages (SSTM) ou Message Transfer Part (MTP) offre un service de transfert fiable des messages de signalisation entre deux points sémaphores d'un même réseau. Il comprend 3 niveaux qui correspondent aux 3 couches basses du modèle OSI : physique, liaison de données et réseau.

Le service offert par le MTP est utilisé par des entités qui vont dépendre du réseau utilisé (RNIS, RTCP) et de l'application. Ces entités sont appelées sous systèmes utilisateurs ou user part. Les sous-systèmes utilisateurs contiennent les mécanismes du traitement d'appel ou de l'application. Ils ont donc trait à la couche application du modèle OSI. Tous les sous-systèmes utilisateurs s'appuient sur le MTP.

Figure 3. 5. Architecture en niveaux du SS7 et modèle OSI

Le Telephone User Part (TUP) Ou Sous-Système Utilisateur Téléphonie [Q724] (SSUT) définit les fonctions de signalisation téléphonique nécessaires aux appels téléphoniques nationaux et internationaux. Par rapport aux anciennes signalisations analogiques, la souplesse de messages de signalisation numériques permet d'étendre les services offerts. Le TUP permet notamment

- de demander l'établissement d'un circuit avec connexité numérique de bout en bout,

- d'offrir le service de groupes fermés d'usagers.,

- d'indiquer l'identité de l'appelant au réseau et à l'usager,

- le renvoi d'appel sur différents critères (systématique, sur non-réponse, etc.).

La version utilisée dans le réseau de France Télécom s'appelle le SSUTR2 [CNET 2600]. Il repose sur une adaptation de la signalisation classique téléphonique avec un enrichissement des messages et de leurs possibilités.

Le protocole ISDN User Part ou ISUP permet des services plus étendus. Les principaux messages sont les suivants:

- le message IAM, Initial Address Message, est le message d'appel téléphonique ; il contient les numéros de l'appelé et de l'appelant, et des informations complémentaires ;

- le message ACM, Address Complete Message, signifie que le poste du demandé sonne

- le message ANM., ANswer Message, signifie que le demandé a décroché

- le message REL, RELease, signifie que le demandé ou le demandeur a raccroché

- le message RLC, ReLease Complete, signifie que les libérations des circuits nécessaires après le raccroché ont été effectuées.

Le déroulement de l'appel est conforme à la description du paragraphe 3.2.3. Dans les anciens réseaux téléphoniques, des tonalités étaient échangées entre les centraux téléphoniques pour indiquer le déroulement de l'appel. Dans les réseaux actuels, des messages ISUP sont échangés par l'intermédiaire du réseau SS7. La richesse de la signalisation permet de développer un grand nombre de services supplémentaires (identification de l'appelant, signal d'appel, renvoi d'appel, etc.).

c. Signalisation non liée à un circuit

Le principe même de la signalisation sémaphore donne la possibilité d'échanger de la signalisation indépendamment de l'établissement d'une communication.  Il peut être nécessaire pour un commutateur de dialoguer avec une base de données.  Celle-ci appartient au réseau sémaphore mais non au réseau téléphonique pur car elle ne gère aucun circuit.  La signalisation est dite non liée à un circuit.  Un exemple en est donné dans le cadre des réseaux radiomobiles au 3.6.4.

Le MTP offre un service limité : il permet uniquement l'échange de signalisation au sein d'un même réseau sémaphore et offre seulement un service sans connexion.  Le protocole SCCP, Signalling Connection Control Part, ou Sous-Système de Commande des connexions Sémaphores, est placé au-dessus du MTP dans l'architecture en niveaux (cf. figure 3.6). Il fournit les moyens d'établir des connexions dans un réseau SS7 et permet d'échancrer des messages de signalisation

Figure 3. 6. : Protocoles non liés à un circuit

Le protocole TCAP, Transaction Capabilities Application Part, ou sous-système de gestion des transactions structure les dialogues entre deux équipements.  Il permet de découper tout dialogue en une succession d'opérations élémentaires de type question-réponse.  Le protocole TCAP utilise le codage ASN.1 qui garantit une évolutivité et une syntaxe universelle des données.  Il correspond typiquement aux fonctionnalités des couches 5 et 6 du modèle OSI.

Au-dessus du protocole TCAP, se trouve le protocole applicatif qui permet de disposer d'un service spécifique, Le protocole MAP, Mobile Application Part, permet la gestion d'abonnés mobiles dans un réseau GSM.

d. Réseaux intelligents

Il y a quelques années, les centraux téléphoniques du réseau commuté étaient seulement capables de commuter des circuits téléphoniques pour établir des conversations téléphoniques.  Ils offrent maintenant de nombreux autres services (vote, serveurs d'information, routage des appels en fonction des horaires et des tarifs) qui ne consistent pas, stricto sensu, à établir une simple communication.

Le concept de réseau intelligent ou d'IN pour Intelligent Network consiste à séparer, d'une part, les fonctions propres à chacune des applications ou services et, d'autre part, les traitements communs à toutes les applications (détection de décroché, attente de numérotation).  Les centraux téléphoniques ne gèrent alors que cette dernière partie et deviennent des commutateurs d'accès aux services ou SSP, Service Switching Point.  Les traitements spécifiques aux services sont intégrés dans des SCP, Service Control Point, ou points de commande de service qui sont des ordinateurs capables d'échanger des messages de signalisation avec les SSP.  Une telle approche permet de regrouper le développement de nouveaux services sur quelques machines.  Alors qu'il y a plus d'un millier de centraux téléphoniques en France, il est possible d'envisager l'ouverture de services par l'introduction de quelques SCP seulement.  Le concept de réseau Intelligent permet de définir et développer des services, indépendamment des particularités des différents commutateurs du réseau.  La conception de nouveaux services est plus rapide et moins coûteuse, et peut être confiée à des sociétés de service spécialisées indépendantes des constructeurs et des opérateurs.  L'objectif est de pouvoir ouvrir en 6 mois un nouveau service sur l'ensemble du réseau.

Lorsque l'usager demande un service de type IN, le SSP et le SCP échangent, en temps réel, des messages de signalisation non liés à un circuit.  Les réseaux intelligents s'appuient donc naturellement sur le SS7.  La pile de protocoles utilisée comprend le MTP, SCCP et TCAP.  Le protocole applicatif défini pour les réseaux intelligents s'appelle INAP, Intelligent Network Application Part (cf. figure 3.6).

3. 3. Le réseau de transmission

Les commutateurs du réseau sont reliés entre eux (CAA, CTS, CTP, ... ) par des supports de très grande capacité où de multiples communications sont multiplexées. Le multiplex de base est, nous l'avons vu, la liaison MIC qui regroupe 30 Voies 64 kbit/s avec un débit global de 2048 Mbit/s.  Sa trame est émise toutes les 125 microsecondes et contient 32 intervalles de temps dont 30 seulement véhiculent des communications.

Une hiérarchie de multiplexage est définie dans le réseau de transmission afin de regrouper un très grand nombre de voles sur des supports large bande.  La première solution est appelée PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), on lui substitue progressivement une nouvelle solution baptisée SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

3. 3. 1. La hiérarchie numérique plésiochrone PDH

La première hiérarchie de multiplexage définie et normalisée par l'ITU [G.704], [G.742], [G.75] suppose plusieurs niveaux de multiplexage en cascade (cf. figure 3.7)

Figure 3. 7. : Hiérarchie de multiplexage PDH

Chaque multiplexeur des niveaux 2, 3 ou 4 reçoit en entrée quatre multiplex de débits identiques mais qui sont inévitablement déphasés les uns par rapport aux autres (émission par des sources différentes et propagation sur des distances différentes).  Il stocke les informations provenant de ces différents multiplex, les synchronise et les émet sur sa liaison de sortie à un débit au moins quatre fois plus grand.  Ces différentes opérations de synchronisation, stockage, lecture/écriture des données rendent nécessaires des informations de verrouillage et de bourrage sur le multiplex de sortie, d'où la différence entre débit utile et débit réel.

Cette hiérarchie est dite « plésiochrone » car chaque multiplexeur reproduit ce fonctionnement indépendamment des autres (il y a plusieurs horloges).

La PDH est largement répandue et maîtrisée depuis longtemps.  Elle utilise des systèmes de transmission allant jusqu'à 140 Mbit/s sur des faisceaux hertziens, des câbles coaxiaux, des fibres optiques, dans des liaisons sous-marines ou par satellite. Elle présente l'inconvénient d'être liée aux débits entrants et de nécessiter un démultiplexage pour toute opération de reconfiguration du trafic.  Un « brassage » des différents intervalles de temps est nécessaire pour basculer un ensemble de communications d'un lien physique à un autre.

Cette absence de souplesse a conduit les opérateurs à rechercher une nouvelle solution susceptible de leur apporter les moyens de gérer automatiquement la qualité de service qu'ils doivent à leurs clients.

3. 3. 2. La hiérarchie numérique synchrone SDH

Issue de travaux de Bellcore aux Etats-Unis et connus sous le nom de Sonet (Synchronous Optical NETwork), la hiérarchie numérique synchrone a pour objectif de remplacer à terme la PDH.  Elle apporte la souplesse et la capacité de gestion automatique qui manquaient à la PDH.  Elle supprime toute notion de resynchronisation d'un multiplex à chaque passage dans un étage de multiplexage.

La place de l'information utile dans un multiplex n'est plus définie de manière temporelle (i-ème intervalle de temps après l'intervalle de synchronisation  = informations de la voie i) mais de manière explicite grâce à une technique informatique de pointeurs.  Une information utile commence donc à une certaine place dans l'espace prévu pour la transmission : cette place est fournie explicitement par une variable pointeur placée devant.

La technique de pointeurs, associée à une notion de justification positive ou négative (avance ou retard) permet de compenser tous les problèmes de variations de phase des signaux et évite ainsi la resynchronisation des différents signaux.  L'unité de décalage possible est l'octet.  On dit que l'information « flotte » dans l'espace utile et on utilise très souvent l'analogie avec les fluides pour représenter l'écoulement des trafics à travers la SDH. Chaque multiplexeur SDH est un confluent où parviennent plusieurs affluents (les multiplex d'entrée) et d'où sort un multiplex dans lequel chaque trame transporte un « conteneur » avec son « surdébit » (les pointeurs et autres canaux) et son « unité administrative » (contenant la charge utile).

Figure 3. 8. : Format général de la trame de base SDH

La trame de base, constituée de 2430 octets, est émise toutes les 125 microsecondes, soit un débit de 155,52 Mbit/s.  Elle est baptisée STM-1 (Synchronous Transport Module number 1).  Son conteneur peut transporter des données quelconques (voix, images, etc.), ou, par exemple, une trame de la hiérarchie PDH à 140 Mbit/s.  Les deux technologies sont interconnectables dans ce sens là.  Il en est de même de la SDH et de Sonet aux Etats-Unis où les choix sont différents quant aux débits.

La trame de base est représentée sur la figure 3.8. Elle contient 9 rangées d'octets avec chacune 9 octets (appartenant au surdébit) et 261 octets (appartenant à l'unité administrative).  La transmission se fait rangée par rangée.  La quatrième rangée contient le pointeur relatif à la place où commence l'information utile dans l'unité administrative.  Les autres rangées du surdébit transportent des canaux de maintenance pour la surveillance des différentes sections de régénération et de multiplexage ainsi que des canaux de gestion et de signalisation.

Une hiérarchie de multiplexage a été définie et normalisée [G.707], [G.709] avec des débits supérieurs : on peut constituer une trame STM-N en entrelaçant temporellement N trames STM-1 dans un intervalle de 125 microsecondes, Les valeurs courantes définies pour N sont 4, soit un débit de 622,08 Mbit/s, et 16, soit un débit de 2,488 Gbit/s.

Grâce aux canaux de signalisation, gestion et maintenance qui sont véhiculés dans le surdébit de chaque trame, la SDH offre une grande souplesse d'exploitation et permet d'effecteur toutes les opérations de reconfigurations nécessaires automatiquement depuis un centre de gestion.  Elle améliore la surveillance de toutes les ressources et le maintien d'une excellente disponibilité.  Pour les opérateurs de télécommunications, elle offre une plus grande capacité à gérer des services de qualité à moyen et haut débit.

3. 4. Le réseau de distribution

3. 4. 1. Principes de câblage

Chaque abonné du réseau dispose d'un poste d'abonné qui est relié par une paire de fils de cuivre à un commutateur.  Cette liaison est appelée ligne d'abonné.  Le réseau de distribution est souvent appelé boucle locale.

Figure 3. 9. : Principe du réseau de distribution

Le réseau de distribution a pour objet de rassembler dans un même câble le maximum de paires afin de minimiser les travaux de génie civil.  Il est principalement constitué de câbles et d'armoires de connexion pour avoir une structure arborescente : chaque armoire, appelé répartiteur, permet un plus grand rassemblement de paires dans un même câble comme illustré sur la figure 3.9. Il n'y a pratiquement aucun dispositif électronique ni informatique.  La nécessité d'amener une paire de bout en bout jusque chez l'abonné rend le coût du réseau de distribution important.  C'est pourquoi d'autres solutions, telles qu'une liaison radio entre l'abonné et le central, sont aujourd'hui envisagées.  C'est la boucle locale radio ou Wireless Local Loop (WLL).

3. 4. 2. Le terminal analogique

Le schéma du poste téléphonique classique est donné dans la figure 3. 10. Celui-ci est composé d'un dispositif de sonnerie branché en parallèle avec le dispositif microphone-écouteur.  Lorsque le poste est raccroché, un inverseur commute la ligne d'abonné sur le dispositif de sonnerie.  Par l'introduction d'une capacité montée en série dans le dispositif de sonnerie, celui-ci a une impédance élevée pour le courant continu et faible pour le courant alternatif.  En revanche, l'ensemble micro-écouteur possède une impédance faible (à toutes les fréquences).

Figure 3. 10. Schéma synoptique du téléphone analogique

Au repos, le central fournit une tension continue d'environ -48 V aux bornes de la ligne : si le poste est raccroché, aucune intensité ne parcourt le téléphone.  Lorsque l'abonné décroche, l'impédance faible de l'ensemble micro-écouteur provoque une intensité d'environ 60 mA.  Celle-ci est délectable par le commutateur. Lorsque le commutateur veut faire sonner le poste, il génère une tension alternative d'environ 75 V d'amplitude et de fréquence 50 Hz que la capacité ne filtre pas.  La sonnerie du poste est donc activée.

Dans les postes à fréquence vocale, la composition des numéros provoque en général une émission de tonalités appelées DTMF (Dual Tone Mode Frequency) ou Q.23 du nom de la recommandation ITU correspondante [Q.23]. Chaque numéro correspond à deux fréquences superposées suivant le tableau 3.11.

Tableau 3. 11. : Table des fréquences vocales Q23

Le réseau téléphonique avec un accès analogique offre une bande passante de 300 Hz à 3400 Hz.

3. 5. Le Réseau Numérique à Intégration de Services

Le RNIS ou ISDN, Integrated Services Digital Network, est l'aboutissement de la numérisation du réseau de transmission et de commutation, par la numérisation du raccordement des abonnés [CHS 91].  Le terme intégration de services signifie que l'abonné peut transmettre différents types d'information (données, voix et images) avec une interface unique et dispose d'une large palette de services (identification de l'appelant, double appel, transmission de mini-messages).

Le RNIS se caractérise par une séparation des canaux de signalisation et des canaux de données des utilisateurs, comme pour la signalisation sémaphore, y compris sur la liaison d'abonné.  Le modèle de référence comporte deux plans de protocoles de communication (conformes à l'OSI).  Le plan de commande noté plan C, Control Plane, conçu à l'origine pour la signalisations comporte trois couches (cf. 3.5.2). Le plan d'usager ou plan U, User Plane, concerne les données utilisateurs et comprend une seule couche : le réseau se contente de la fourniture d'un support physique numérique de bout en bout (commutation de circuits).  Une fonction de gestion du plan permet la coordination entre activités des différents plans.

Figure 3. 12. : Différents plans du RNIS

3. 5. 1. Caractéristiques physiques

La liaison entre le central et l'abonné est faite sur une liaison 2 fils comme pour un accès analogique.  Un circuit d'interface appelé TNR (Terminaison Numérique de Réseau) fourni par l'opérateur permet à l'abonné de disposer d'un bus possédant des prises S0 normalisées (Prise RJ45).  Ces prises contiennent 8 fils pour la transmission des signaux, l'alimentation et des signaux de commande.  Elles sont similaires aux prises de téléphone classiques utilisées aux Etats-Unis. Il est possible de connecter plusieurs équipements sur une même ligne d'abonné.  L'usager dispose d'un bus sur lequel il peut brancher divers terminaux de nature différente : micro-ordinateur, téléphone numérique, etc. Les caractéristiques physiques de la transmission sont les suivantes transmission en bande de base en synchrone par un code de type bipolaire (absence de tension pour un 1, tension alternativement positive ou négative pour un 0).

Figure 3. 13. Raccordement de terminaux RNIS sur un accès de base

Sur le support de transmission, plusieurs canaux sont multiplexés temporellement.  Il existe deux types de canaux, les canaux B et D :

- le canal B est à 64 kbit/s et fonctionne en mode synchrone full-duplex, il supporte les transmissions des utilisateurs et appartient au plan U ;

- le canal D est un canal à 16 kbit/s ou 64 kbit/s en mode synchrone en full-duplex.  Sa principale utilisation est le transport de la signalisation, mais également, lorsque c'est possible, des données à bas débit.  Il appartient au plan C.

Ces deux types de canaux sont combinés pour offrir deux types d'accès :

- l'accès de base ou S0 est souvent appelé 2B+D car il fournit deux canaux B et un canal D à 16 kbit/s, soit un débit utile global de 144 kbit/s pour 192 kbit/s transmis (cf. figure 3.14) ;

- l'accès primaire ou S2 est appelé 30B+D car il comprend 30 canaux B et un canal D à 64 kbit/s, soit un débit utile global de 1984 kbit/s (pour 2048 kbit/s transmis).

Figure 3. 14. Multiplexage temporel sur l'accès de base

L'accès de base fournit deux lignes téléphoniques.  Le bus permet le raccordement de 5 terminaux.  Un micro-commutateur peut permettre les communications internes entre terminaux.  Pour les installations moyennes, il est possible de grouper de 2 à 6 accès de base et de les gérer par un PABX ou un intercom.  L'accès primaire correspond à un MIC (30 lignes téléphoniques).  Il est adapté à la connexion d'autocommutateurs privés (PABX) pour les entreprises possédant plus de 50 postes.

3. 5. 2. Le plan de signalisation

Un protocole de liaison de données appelé LAP-D est implanté sur le canal D (d'où son nom) entre le poste d'abonné et la TNR.  Il permet de s'assurer que la signalisation est bien échangée sans erreur, suppression ni duplication entre le central et l'abonné.  Ce protocole est très similaire au protocole LAP-B. Enfin, le canal D étant commun à tous les terminaux de l'installation, une sous-couche MAC spécifique a été définie pour assurer le partage du canal D. Le mécanisme utilisé est le CSMA/CR, Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution, une variante de CSMA ; il offre une solution originale au problème des collisions en laissant un seul des terminaux émettre entièrement sa trame.

Figure 3. 15. : Modèle de référence pour le plan de signalisation

a. Protocole LAP-D

Le protocole LAP-D est défini par l'ITU dans les recommandations I.440 pour les aspects généraux et I.441 pour la spécification de la couche liaison.  Son rôle est d'assurer la transmission d'informations entre entités de réseau à travers l'interface usager-réseau sur le canal D. Au niveau réseau, dans chaque équipement, il peut y avoir plusieurs entités demandant chacune des services (éventuellement différents) à la couche liaison de données.  Le protocole LAP-D est donc responsable de la protection de toutes les informations (informations de signalisation mais aussi données en mode paquet) transmises sur le canal D dans les deux sens.

Figure 3. 16. : Format de la trame LAPD

Comme tout protocole de communication, un format de trame et des règles de dialogues sont définis.  Le format est donné à la figure 3.16. A titre d'exercice, on peut comparer celui-ci au format LAPB et constater les grandes similarités.

Une trame LAP-D transportant des données issues de l'entité de signalisation contiendra dans son champ adresse SAPI = 0 alors qu'une traîne transportant des données issues de l'autre entité contiendra dans son champ adresse SAPI = 16.

Figure 3. 17. : Utilisation de l'identificatei4r SAPI

Le champ d'adresse des trames LAP-D a une longueur de deux octets (ce qui constitue la première différence entre LAP-D et HDLC ou LAP-B) et possède deux sous-champs principaux : SAPI et TEI. L'identificateur de point d'accès au service (SAPI, Service Access Point Identifier) sur six bits permet d'identifier le service fourni : signalisation, données en mode paquet, gestion.  Les valeurs des SAPI ne sont pas choisies au hasard : le SAPI = 0 est réservé pour les procédures d'établissement et fermeture de connexion, le SAPI = 16 est attribué au transfert de données en mode paquet.  L'intervalle [32 - 47] est laissé pour chaque pays avec un usage réglementé au niveau national.  Le SAPI = 63 est utilisé pour les procédures de gestion.  Les autres valeurs sont réservées pour des extensions futures. L'identificateur de l'équipement terminal (TEI, Terminal Endpoint Identifier) est codé sur sept bits.  Un TEI particulier est associé à un équipement terminal dans une connexion de liaison point à point.  Certaines informations peuvent être diffusées à l'ensemble des terminaux : la TNR utilise, dans ce cas, la valeur TEI = 127 (soit 1111111 en binaire).  La diffusion dans une connexion multipoint est une autre différence entre HDLC et LAP-D. Le protocole LAP-D permet donc de multiplexer des connexions de liaison, qui correspondent à la vie des connexions sur les canaux B (signalisation) ou à des connexions propres du canal D. En effet, comme plusieurs terminaux sont reliés sur le même bus où les canaux B et D sont multiplexés, il peut y avoir simultanément plusieurs dialogues entre les équipements terminaux et la TNR : ces dialogues, entrelacés dans le temps, sont gérés indépendamment les uns des autres par l'entité LAP-D de la TNR. Pour certains des dialogues précédents, un mode de fonctionnement non connecté existe.  Les trames utilisées, dans ce cas, ne sont pas numérotées : elles peuvent être perdues (sans notification, la reprise se fait par temporisateur).  La trame UI (Unnumbered Information) permet ainsi aux couches supérieures déchanter des données sans connexion.  C'est typiquement le cas de la diffusion d'un appel en provenance du réseau (cf. figure 3.18) : la TNR envoie directement la trame sans établir de connexion.

Figure 3.18. Utilisation de l'identificateur TEI

La TNR peut diffuser certaines informations à tous les terminaux utilisant le TEI = 127 et des trames non numérotées.  Elle peut aussi allouer elle-même les identificateurs TEI et gérer les valeurs libres.  Enfin, la supervision de la liaison permet à la TNR de surveiller l'activité des différents dialogues et de fermer ceux qui sont inactifs pour avoir de meilleures performances.

b. Protocole Réseau

Le protocole de niveau réseau, appelé DSS1 (Digital Subscriber Signalling System number 1) ou Protocole D, est normalisé par l'ITU [Q.931]. Il contient la définition des messages de signalisation et les logiques de dialogue permettant d'accéder aux services.

Figure 3.19. : Exemple d'établissement d'appel en RNIS

Sur un accès analogique, la signalisation est faite par des tonalités ou des modifications analogiques de caractéristiques de la ligne (cf. 3.2.3). Dans le RNIS, les principales actions effectuées par l'abonné ou provoquées par le central correspondent à des messages de niveau 3. Nous donnons à titre d'exemple quelques messages dans leur dénomination anglaise :

- SETUP : message d'appel envoyé par le réseau pour faire sonner le téléphone ou par le téléphone pour indiquer le numéro appelé,

- CALL PROCEEDING : message envoyé par le réseau pour indiquer que l'appel est pris en compte et en cours d'établissement,

- ALERTING: message envoyé par le réseau pour indiquer que le poste du demandé sonne,

- CONNECT : message de connexion émis par le téléphone lorsque l'usager décroche lors d'une sonnerie ou par le réseau (vers le téléphone demandeur) lorsque le correspondant décroche,

- CONNECT ACKNOWLEDGE: message d'acquittement émis en réponse au message CONNECT,

- DISCONNECT : message de raccroché émis par le téléphone ou le réseau lorsqu'un correspondant raccroche,

- RELEASE : message de libération émis par le téléphone ou le réseau,

- RELEASE COMPLETE : message indiquant que la libération a été effectuée.

L'établissement d'un appel RNIS est donné dans la figure 3.19. Le lecteur pourra, à titre d'exercice, retrouver les principales phases d'établissement de l'appel décrites au paragraphe 3.2.3.

3. 5. 3. Services du RNIS

Les services RNIS proposés sont classés par l'ITU en trois catégories : les services supports, les téléservices et les compléments de services.

Les services supports ou bearer services permettent la gestion des capacités de transmission mises à la disposition des abonnés pour dialoguer entre eux.  Ils permettent de paramétrer le mode d'utilisation des ressources physiques disponibles (canaux B et D), ces paramétrages pouvant être automatiques notamment pour de la simple téléphonie.

Pour assurer une compatibilité ascendante, les services qui existaient avant le RNIS, tels la télécopie ou la transmission de données par modem, peuvent bien sûr emprunter le RNIS moyennant toutefois l'utilisation d'un adaptateur spécifique pour chaque appareil.  Mais les possibilités d'une communication numérique de bout en bout permettent d'autres types d'échange dits téléservices.  Parmi ceux-ci, on petit citer les acheminements de gros volumes de données informatiques, les télécopies à haute définition permettant de transmettre rapidement des photographies, les échanges d'images vidéo animées de qualité sommaire et les télécommunications téléphoniques d'une qualité proche de la haute fidélité si l'on dispose d'appareils spécialement conçus.

Le RNIS met aussi en oeuvre de nouveaux services qui complètent ceux de la ligne téléphonique existante : ce sont les compléments de services appelés aussi services supplémentaires, supplementary services.  Ils se traduisent tous par plus de souplesse d'utilisation pour l'abonné : possibilité pour l'abonné de connaître le coût d'une communication en cours ou à l'issue de celle-ci, double appel, identification de l'appelant, renvoi d'appel.

3. 6. Les réseaux radiomobiles

Le désir de pouvoir communiquer à distance à tout moment, où que soient la personne appelée et la personne appelante, a conduit au développement des réseaux mobiles.  Ceux-ci sont caractérisés par un accès du terminal au réseau par une liaison radio et une gestion de la localisation de l'abonné par le réseau. En Europe, la norme GSM, Global System for Mobile communications, est la plus répandue.  Elle est définie pour fonctionner dans la bande des 900 MHz et des 1800 MHz, on parle alors de DCS 1800, Digital Cellular System.  Nous nous restreignons dans cet ouvrage à une description succincte.

3. 6. 1. Le sous-réseau fixe

Comme tout réseau téléphonique, un réseau GSM est constitué de terminaux et de commutateurs téléphoniques.  Ceux-ci doivent gérer des fonctions supplémentaires à cause de la mobilité de 1'usacer ; ils sont appelés MSC, Mobile services Switching Centre.  Les terminaux en fonctionnement sur les réseaux sont appelés stations mobiles ou MS, Mobile Station.  Ce terme est générique : il peut désigner un abonné avec son téléphone portatif qui reste dans un bâtiment ou se promène dans la rue, ou bien un terminal installé dans un véhicule.

Le réseau doit connaître de façon approximative la localisation des abonnés.  On place des bases de données de localisation appelées HLR, Home Location Register, qui contiennent également le profil de chaque abonné (services souscrits et données nécessaires à son authentifications.  Les équipements HLR sont limités en capacité , il y a plusieurs HLR dans un réseau mais un abonné donné est toujours géré par le même HLR quel que soit l'endroit où il se trouve.

Afin de réduire les échanges de signalisation entre MSC et HLR, on associe une base de données VLR, Visitor Location Register, à chaque MSC.  Le VLR contient les profils de tous les abonnés qui sont dans la zone gérée par le MSC à un instant donné, Un abonné qui se déplace sur une grande distance est pris en compte par différents MSC successifs et donc différents VLR.  Certains constructeurs intègrent les fonctions MSC et VLR dans un seul équipement.  Dans cet ouvrage, nous considérons MSC et VLR comme une seule entité,

Les équipements MSC/VLR et HLR forment le NSS, Network Sub-System, ou sous-réseau fixe.  Ils échangent des messages de signalisation en utilisant un réseau SS7, propre au réseau GSM.  Les MSC sont également reliés entre eux par des liaisons MIC supportant des circuits de parole.  De plus, ils sont reliés au réseau téléphonique général.

Un réseau GSM comprend également d'autres équipements regroupés dans l'OSS, Operation Support System, permettant son administration par l'opérateur : déclaration des nouveaux abonnés, relevés des communications effectuées, facturation, détection des équipements en panne, etc.

3. 6. 2. Le réseau d'accès

Les terminaux GSM sont des émetteurs-récepteurs portatifs de puissance réduite.. typiquement 2W.  Ils ont donc une portée limitée à quelques kilomètres.  Pour assurer un accès au réseau sur un large territoire, l'opérateur maille celui-ci avec des stations de base ou BTS, Base Transceiver Station.  Les BTS sont des émetteurs-récepteurs dont l'antenne est placée en général au-dessus des toits pour maximiser le niveau de signal reçu par un terminal.  La surface sur laquelle le terminal peut recevoir le signal émis par la BTS et être reçu de celle-ci, constitue une cellule.

Figure 3. 20. : Architecture d'un réseau GSM

On pourrait imaginer de relier directement les BTS aux MSC pour assurer les communications avec les mobiles.  Dans les réseaux GSM, un équipement intermédiaire est placé entre BTS et MSC : c'est le BSC, Base Station Controller.  Il commande un ensemble de BTS et contrôle la gestion de la ressource radio.  Il a pour fonction de masquer, autant que possible, les spécificités radio de la liaison entre le terminal et le réseau : en simplifiant, un terminal GSM est vu du MSC comme un terminal RNIS fixe.  La présence d'un BSC permet aussi de réduire les coûts d'exploitation des liaisons par rapport à des liaisons directes BTS-MSC.

Le découpage en cellules est invisible à l'usager.  Le réseau doit en particulier assurer la continuité de la communication même lorsque l'abonné se déplace.  C'est le transfert intercellulaire ou handover.  Celui-ci est décidé par le BSC en fonction de la qualité de la liaison radio de la communication en cours.  Le transfert intercellulaire est assuré au sein d'un même réseau GSM dans tous les cas de figure : changement de cellule en restant sous le même BSC, changement de BSC, changement de MSC.

3. 6. 3. Le concept cellulaire

Figure 3. 21. : Principales caractéristiques de l'interface radio GSM

Le support de transmission utilisé entre le terminal et la BTS est le spectre hertzien.  Pour communiquer en duplex, il est nécessaire de disposer d'une voie de communication de la BTS vers le mobile (appelé sens descendant ou downlink) et d'une voie du mobile vers la BTS (appelé sens montant ou uptink).  On sépare, dans GSM, la bande en 2 sous-bandes, chacune réservée à un sens de transmission.  En 900 MHz, la bande 890-915 MHz est réservée au sens montant tandis que la bande 935-960 MHz est utilisée pour le sens descendant (voir figure 21). Le spectre est découpé en fréquences appelées porteuses.  A chaque porteuse sur le sens descendant correspond une porteuse sur le sens montant car l'écart entre les deux fréquences est gardé constant (45 MHz en 900 MHz) -, cet écart est appelé écart duplex.  Sur chaque porteuse, 8 voles de communications sont multiplexées en temps (TDMA, Time Division Multiple Access).  Pour écouler une communication, on alloue un intervalle de temps sur une fréquence de la voie montante et un intervalle de temps sur la fréquence descendante correspondante.

Figure 3. 22. Exemple de couverture cellulaire

L'opérateur doit affecter à chaque BTS (ou de manière équivalente à chaque cellule) une ou plusieurs paires de fréquences suivant le nombre moyen de communications à écouler.  Or, il dispose d'un jeu de fréquences limité, largement inférieur au nombre de BTS de son réseau.  Il doit réutiliser les mêmes fréquences sur des cellules différentes.  Considérons un mobile MS1 en communication avec la station de base la plus proche.  Il reçoit un signal utile C de sa station de base sur une, fréquence, par exemple f1. Si la même fréquence est utilisée par une autre station de base gérant des communications, elle émet également sur la fréquence f1 pour un mobile de sa cellule.  La propagation des ondes n'étant pas guidée, ce signal va interférer sur le signal utile reçu par le mobile MS1.  Soit I l'ensemble interférences créées par les BTS transmettant sur f1, et N le bruit de fond du récepteur ; la qualité du signal reçue MS1 est fonction du rapport signal/bruit reçu, exprimé ici en C/(I+N).

Figure 3. 23. : Interférences dans un réseau cellulaire

Les BTS sont supposées être au centre des hexagones. Les chiffres indiqués dans les cellules désignent les paires de fréquences (une fréquence montante et une fréquence descendante). La distance de réutilisation obtenue avec un motif à 4 est supérieure à celle obtenue avec un motif à 3, le C/I est donc plus élevé.  En revanche l'opérateur, qui a 9 paires de fréquences, ne peut disposer que de 9/4=2 paires de fréquences au lieu de 3 pour un motif à 3.

Figure 3. 24. : Planification cellulaire sur un modèle hexagonal

Soit D la plus petite distance entre deux cellules utilisant la même fréquence.  Plus D, appelé distance de réutilisation, est faible, plus l'interférence est importante.  Très souvent, l'interférence est prépondérante devant le bruit N.  On a alors C/(I+N) » C/I.  L'information émise est correctement restituée si le signal reçu présente un C/I supérieur à un seuil donné.  Ce seuil, Généralement exprimé en dB, dépend de la modulation et du codage utilisés pour la transmission radio.  C'est une caractéristique essentielle du réseau radiomobile.  Il est de 9 dB dans GSM.  Plus le seuil est bas, plus le système tolère des interférences et plus on peut réutiliser les fréquences sur des cellules proches en gardant une qualité acceptable.

Considérons un réseau régulier avec des cellules de même taille.  Si la propagation est régulière, une cellule est un disque dont le rayon R dépend de la puissance émise.  Pour paver le plan, on approxime la cellule à l'hexagone inscrit dans ce disque.  Soit un opérateur qui dispose de F paires de fréquences.  Dans le cas d'école que nous considérons, il affecte toutes les fréquences à un Croupe compact de cellules qui forment alors un motif.  La taille K du motif est le nombre de cellules comportant des fréquences toutes différentes.  Chaque cellule a donc F/K paires de fréquences.  L'opérateur répète ensuite le motif sur l'ensemble des cellules du réseau ; plusieurs cellules vont donc utiliser les mêmes fréquences.  La distance de réutilisation croît avec la taille du motif (cf. figure 3.24). Pour une taille de motif donné, on peut montrer que le C/I subi par un mobile dépend du rapport D/R et non pas spécifiquement de D.

Quand il planifie le réseau, l'opérateur choisit un seuil C/I de fonctionnement et en déduit la taille de motif qui permet de respecter ce seuil.  On considère un motif à 12 dans GSM, La taille du motif détermine le nombre maximal F/K paires de fréquences par cellule, indépendamment de la taille des cellules.

Pour augmenter le nombre de communications simultanées possibles par km², l'opérateur est donc conduit à réduire la taille des cellules.  En zone rurale, les cellules ont un rayon de l'ordre de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres.  En zone urbaine, le rayon de cellule peut descendre à quelques centaines de mètres.

3. 6. 4. Les fonctions cellulaires

a. Localisation de l'abonné

Un mobile sous tension est susceptible de se trouver dans une cellule quelconque du système et doit rester appelable par un usager du réseau téléphonique.  Deux méthodes permettent de résoudre ce problème :

- soit l'infrastructure émet les appels sur toutes les cellules du système, procédé appelé paging,

- soit elle connaît à tout moment la localisation du mobile grâce à une procédure dite d'inscription.  Les termes anglais utilisés sont 'location upclating procedure' ou registration.  L'inscription consiste pour le mobile à émettre un message d'identification lorsqu'il entre dans une nouvelle cellule.  L'infrastructure connaît alors la localisation du mobile et lui renvoie une autorisation ou une interdiction de communiquer suivant ses droits d'accès.  En cas d'acquittement positif, le mobile sait qu'il est bien pris en compte par le système.

En général on utilise une combinaison des deux méthodes : plusieurs cellules sont regroupées dans une même zone de localisation (location area).  Un mobile s'inscrit lorsqu'il change de zone de localisation.  En revanche, s'il change de cellule en restant dans la même zone de localisation, il ne se réinscrit pas.  Une zone de localisation comprend des cellules dépendant du même MSC/VLR.  Le VLR mémorise à tout moment la zone de localisation du mobile.  Afin de réduire les échanges de signalisation, le HLR est informé d'une modification de localisation seulement lorsque le mobile entre dans une zone dépendant d'un nouveau VLR.

La mise à jour de localisation se fait lorsque le terminal est sous tension et que l'usager se déplace même en l'absence de communication.  Elle peut durer quelques secondes et génère plusieurs messages de signalisation dans le sous-réseau fixe.  Grâce à l'utilisation du réseau SS7, aucun circuit n'est réservé pendant cette durée.  La commutation de paquet utilisée dans le réseau SS7 permet de consommer les ressources seulement pour la transmission réelle des messages.

La capacité pour un mobile de fonctionner sur plusieurs cellules est appelée dans la littérature le roaming ou l'« itinérance ». La capacité pour un abonné d'utiliser le réseau d'un pays étranger pour lequel il n'a pas d'abonnement s'appelle le roaming international ou l'itinérance internationale.  Par abus de langage, l'aspect international est fréquemment sous-entendu lorsqu'on parle d'itinérance.

Pour permettre à un mobile de détecter le changement de cellule et de zone de localisation, chaque BTS diffuse régulièrement des informations sur l'ensemble de la cellule : c'est la voie balise. Elle permet également au mobile de vérifier qu'il est bien sous la couverture du réseau et d'apprécier la qualité de cette couverture en mesurant la puissance du signal qu'il reçoit.

b. Transfert intercellulaire

Un mobile peut changer de cellule au cours d'une communication.  Le réseau doit être capable de déterminer la BTS (ou éventuellement les BTS) vers laquelle transférer la communication.  Pour aider le réseau, tout mobile GSM en communication fait en permanence des mesures sur le signal reçu et écoute également les voies balises des cellules voisines.  Il mesure le niveau de puissance avec lequel il reçoit ces voies balises et transmet les mesures au réseau.  Celui-ci a ainsi les éléments pour déterminer le moment opportun où déclencher le transfert et la meilleure cellule cible.  On parle souvent de Mobile Assisted Handover.

Le transfert intercellulaire est une des fonctions les plus complexes à assurer dans un réseau cellulaire : il faut s'assurer qu'un canal radio est disponible sur la nouvelle cellule et il faut déclencher le transfert ni trop tôt, ni trop tard, sans quoi la communication est interrompue soit sur la nouvelle, soit sur l'ancienne cellule.  De nombreuses coupures inexpliquées pour l'usager sur les réseaux GSM sont dues à l'échec d'un transfert intercellulaire.

3. 6. 5. Etablissement d'appel

Lorsqu'un usager appelle un correspondant à partir de son terminal, celui-ci envoie un court message sur la fréquence montante de la voie balise.  Ce message est reçu par la BTS et retransmis vers le BSC.  Il s'ensuit alors un échange de signalisation entre le mobile et le MSC/VLR pour vérifier que l'abonné est autorisé à utiliser le réseau et à disposer du service demandé.  Une voie de communication est ensuite allouée au mobile et la connexion est établie lorsque le correspondant demandé fixe décroche.

Les messages 3 et 4 sont des messages du protocole MAP (non liés à un circuit).

Les messages 1, 2 et 5 sont des messages IAM (protocole ISUP ou équivalent).

Figure 3. 25. : Appel vers un mobile (simplifié)

Lorsqu'un abonné d'un réseau fixe appelle un abonné mobile, l'appel est systématiquement transféré au MSC le plus proche du demandeur fixe (cf. figure 3.25). Celui-ci interroge le HLR de l'abonné mobile demandé pour déterminer sa localisation et vérifier qu'il est autorisé sur le réseau.  L'appel est ensuite routé vers le MSC/VLR où se trouve l'abonné mobile.  Le MSC/VLR recherche la zone de localisation où est le mobile, puis diffuse un message de paging sur les cellules de cette zone de localisation.  Le mobile, en réponse, transmet un message dans la cellule où il se trouve.  L'appel se poursuit par l'échange de signalisation entre le mobile et le MSC/VLR puis par l'établissement de la connexion lorsque l'abonné mobile décroche.

3. 7. Introduction au RNIS large bande

3. 7. 1. Généralités

Le RNIS, tel que nous l'avons vu au paragraphe précédent, est dit bande étroite car les débits qu'il offre à l'usager sont encore limités et ne permettent guère les vidéocommunications.  Les chercheurs ont réfléchi à une nouvelle technique de commutation qui permettrait l'intégration de tous les services (voix, données et images) et donc supporterait des débits élevés (plusieurs centaines de Mbit/s, ce qui signifie une large bande passante) [PRY 93] [KOG 96].  Le RNIS large bande ou B-ISDN (Broadband ISDN) repose sur la commutation de cellules, appelée aussi ATM (Asynchronous Transfer Mode), L'objectif de l'ATM est d'offrir un niveau d'intégration élevé en proposant une infrastructure commune aux différents types d'applications, de manière à transporter indifféremment de la voix, de l'image ou des données, et ceci même avec un débit variable [I. 150].

Figure 3. 26. : Interfaces dans le RNIS large bande

Le RNIS large bande est destiné à interconnecter aussi bien des équipements terminaux que des réseaux privés.  Il est constitué de commutateurs de cellules ou commutateurs ATM.  On distingue deux types d'interfaces :

- les interfaces internes au réseau de l'opérateur, de type Network to Network Interface (NNI),

- les interfaces entre l'équipement terminal ou un commutateur privé et le réseau de l'opérateur, de type User to Netwvork Interface (UNI).

L'ATM suppose que les données sont transmises dans les cellules en mode connecté.  L'en-tête de la cellule porte l'identification de la vole de communication.  Plusieurs voies de communication sont entrelacées dans le temps, une voie pouvant occuper n'importe quelle position.  Les mécanismes de multiplexage et de commutation sont polyvalents, et indépendants du débit des voies (multiplexage statistique).  Cette indépendance temporelle entre applications et réseau convient donc à la notion d'un réseau intégré.

VPI : Virtual Path Identifier             VCI : Virtual Circuit Identifier

PTI : Payload Identifier                     CLP : Cell Loss Priority

HEC : Header Error Control

Figure 3. 27. : Cellule ATM (sur les interfaces MMI)

Le protocole mis en oeuvre doit être capable de traiter des débits importants et de satisfaire un fonctionnement en temps réel tout en restant indépendant du type d'application envisagé.  De ce fait, l'en-tête de la cellule ne contient que des informations propres à l'acheminement : les protocoles applicatifs sont placés dans le champ information de la cellule.  Le mode d'acheminement retenu est l'acheminement par voie logique.  Un identificateur de voie virtuelle (VCI, Virtual Channel Identifier) est placé dans l'en-tête de la cellule, ainsi qu'un identificateur de conduit virtuel (VPI, Virtual Path Identifier) qui englobe plusieurs voies virtuelles.

Lors d'une demande de connexion, un chemin est déterminé (cf. cas de X25).  Chaque commutateur contient une table de correspondance associant un couple VPI/VCI d'un lien entrant à un couple VPI/VCI d'un lien sortant, Lorsque la communication est achevée, les ressources allouées à la connexion sont libérées.

3. 7. 2. Modèle de référence

Dans le modèle de référence RNIS-LB (cf. figure 3.28), on voit apparaître, comme pour le RNIS bande étroite, une séparation plan de commande (pour la signalisation) et plan d'usager (pour les protocoles applicatifs de l'usager).  Enfin, un plan de gestion définit toutes les opérations nécessaires à l'administration du réseau et de ses différents protocoles.

Le modèle de référence du RNIS Large Bande distingue trois couches [I.321] :

- la couche physique PHY, chargée de la transmission, et constituée d'une sous-couche, dépendant du médium, chargée de l'émission des bits sur le support, et d'une sous-couche chargée de l'adaptation au débit, du contrôle d'erreur de l'en-tête et de la délimitation des cellules

- la couche ATM, chargée de la Génération des champs de l'en-tête de la cellule, du traitement des identificateurs de voies / conduits virtuels dans le réseau, du multiplexage / démultiplexage des cellules suivant un rythme adapté à la demande de l'application

- la couche d'adaptation à l'ATM (AAL, ATM Adaptation Layer) qui assure la liaison avec les couches applicatives, composée d'une sous-couche, chargée de la segmentation en cellules et du réassemblage, et d'une sous-couche dite de convergence.

PM : Physical Medium (dependant)                         TC : Transmission Convergence

SAR : Segmentation and Reassembly                      CS : Convergence Sublayer

ATM : Asynchronous Transfer Mode (layer             AAL : ATM Adaptation Layer

Figure 3. 28. : Modèle de référence du RNIS large bande

La couche AAL établit un lien entre la couche ATM et les couches applicatives. Elle s'efforce de satisfaire les contraintes imposées par les applications en complétant les services de la couche ATM.  Son implémentation se situe aux accès aux terminaux ou dans les terminaux eux-mêmes.  Elle s'apparente donc à une couche transport (cf. figure 3.29).

Figure 3. 29. : AAL, couche de bout en bout

3. 7. 3. Applications

Le RNIS large bande intègre des services de type parole ou émulation de circuit (débit constant, mode connecté. contraintes temps réel), de type images (débit constant ou variable à cause de la compression, mode connecté, contraintes temps réel) et de type données (débit quelconque, mode connecté ou non, pas de contraintes temporelles strictes).

Chaque type d'application fait appel à des entités AAL spécifiques.  L'ITU a défini quatre classes de services AAL résumées dans le tableau de la figure 3.30. Une classe supplémentaire est définie pour la signalisation usager-réseau.

Figure 3. 30. : Les classes de service

3. 8. Synthèse

La commutation de circuits permet de réserver des ressources physiques à chaque couple d'équipements qui désire établir une communication, c'est la technique utilisée en particulier dans le réseau téléphonique, Pour établir et maintenir la relation entre deux correspondants, le réseau doit mettre en oeuvre un échange de signalisation. Le réseau téléphonique comprend un réseau de distribution, un ensemble de commutateurs et un réseau de transmission.  Dans les réseaux modernes, on sépare la transmission de la signalisation et la transmission des informations usagers.  Au sein du réseau téléphonique, entièrement numérisé en France, le réseau SS7 assure spécifiquement l'échange de signalisation entre les commutateurs.

Le RNIS permet un accès numérique au réseau téléphonique.  Il comprend une architecture en couches avec un plan de commande et un plan usager.  Le plan de commande a plusieurs couches avec un ensemble de protocoles Spécifiques pour la signalisation : LAP-D et Protocole D.

Les principaux réseaux radio mobiles en Europe sont conformes à la norme GSM.  Ils comprennent des stations de bases réparties sur le territoire qui réalisent un couverture cellulaire, des commutateurs MSC pourvus de fonctions de gestions de la mobilité et des bases de données HLR et VLR.  Un réseau mobile permet l'itinérance et gère le handover, c'est-à-dire le transfert de la communication d'une cellule à l'autre lorsque l'usager se déplace.

Dans le futur RNIS large bande, une nouvelle technique de commutation ATM est utilisée.  Son déploiement est envisagé à long terme, compte tenu des investissements mis enjeu.