Chapitre II Généralités sur les réseaux cellulaires

République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

UNIVERSITE ABDERRAHMANE MIRA BEJAIA.

FACULTE DES SCIENCES EXACTES

Département d’informatique

Mémoire préparé de fin de Cycle

En vue de l’obtention du diplôme de Master en informatique

Option : Administration et sécurité réseaux

Thème

Gestion de la mobilité dans les réseaux cellulaires

Mémoire soutenu le 26/06/2018 par :

Mr. DEBBAH Nassim

Mr. ATMANI Sofiane

Devant le jury composé de :

Président Mr. AKILAL Abdellah M.A.A Université de Bejaia

Rapporteuse Mme HOUHA Amel M.A.A Université de Bejaia

Examinatrice Mme BOUADEM Nassima M.A.A Université de Bejaia

Examinatrice Mme HAMECHE Salma doctorante Université de Bejaia

Promotion 2017-2018

Remercîments

Nos vifs remerciements vont d'emblé à Dieu tout puissant qui nous a doté d'une grande volonté et d'un savoir adéquat pour mener à bien ce modeste travail.

Nos remerciements sont adressés également à nos chers parents pour tous les

sacrifices consentis à notre égard et à leur énorme soutien.

A notre encadreur, Mme HOUHA Amel qui nous a accordé une grande confiance et nous a orienté dans le bon sens quant

à l'élaboration de ce projet.

Aux membres de la commission pour avoir accepté de juger notre modeste travail.

A tous nos enseignants et les membres du département informatique de l'université ABDERAHMENE MIRA.

Et enfin à tous ceux qui ont participé de près ou de loin à l'accomplissement de ce

projet.

Dédicaces

A nos chères mamans, sans vos sacrifices, votre tendresse et votre affection on ne pourrait arriver jusqu'au bout. .

A nos chers pères, sans votre soutien on ne serait rien devenu. On essayera

toujours d'être à la hauteur de votre confiance.

A nos chers frères et sœurs.

A nos grands-parents à qui on souhaite une longue vie.

A nos oncles et tantes.

A nos cousins et cousines.

A tous nos amis.

A tous ceux qu’on aime.

Table des matières

Table des matières Table des figures

Liste des tableaux

Liste des abréviations

Introduction générale ..................................................................................................................................... 1

Chapitre I Généralités sur les réseaux cellulaires ......................................................................................... 2

1.1. Introduction ..................................................................................................................................... 2

1.2. Les réseaux sans fil .......................................................................................................................... 2

1.3. Les catégories des réseaux sans fil ................................................................................................... 2

1.4. Les réseaux cellulaires ..................................................................................................................... 3

1.4.1. Radiotéléphonie cellulaire .......................................................................................................... 3

1.4.2. Concept cellulaire....................................................................................................................... 3

1.4.3. Définition de la Cellule ............................................................................................................... 3

1.4.4. La division cellulaire .................................................................................................................. 4

1.4.5. Déploiement des réseaux cellulaires........................................................................................... 5

1.5. Caractéristiques d’un réseau cellulaire ........................................................................................... 5

1.6. Constitution d’un réseau cellulaire ................................................................................................. 6

1.6.1. La station mobile (MS)............................................................................................................... 6

1.6.2. Station de transmission de base ................................................................................................. 7

1.6.3. Contrôleur de station de base (BSC).......................................................................................... 7

1.6.4. Support de transmission ............................................................................................................ 8

1.7. Fonctionnement du réseau cellulaire ............................................................................................... 9

1.8. Les qualités de services définies par les réseaux cellulaires .......................................................... 10

1.9. Evolution des normes cellulaires ................................................................................................... 11

1.9.1. La première génération (1G) ................................................................................................... 11

1.9.2. La deuxième génération (2G) ................................................................................................... 11

1.9.3. La troisième génération (3G) ................................................................................................... 12

1.9.4. La quatrième génération (4G) ................................................................................................. 13

1.10. Différences entre la 3G et la 4G ............................................................................................... 14

1.11. Conclusion ................................................................................................................................ 15

Chapitre II Gestion de la mobilité dans les réseaux cellulaires .................................................................. 16

2.1. Introduction ................................................................................................................................... 16

2.2. Définition de la mobilité................................................................................................................. 16

2.3. Concept de mobilité ....................................................................................................................... 16

2.4. Type de mobilité ............................................................................................................................ 17

2.4.1. La macro mobilité .................................................................................................................... 17

Table des matières

2.4.2. La micro mobilité ..................................................................................................................... 18

2.5. La mobilité dans les réseaux cellulaires sans fil ............................................................................ 18

2.6. Les fonctionnalités ......................................................................................................................... 19

2.7. Les critères de choix d’un protocole de gestion de la mobilité ...................................................... 20

2.8. protocoles de la gestion de mobilité ............................................................................................... 20

2.8.1. Mobile IP .................................................................................................................................. 20

2.8.2. Mobile IPv4 .............................................................................................................................. 23

2.8.3. Mobile IPv6 .............................................................................................................................. 27

2.8.4. Comparaison entre MIPv4 et MIPv6....................................................................................... 29

2.8.5. Cellular IP ................................................................................................................................ 29

2.9. Conclusion ..................................................................................................................................... 31

Chapitre III Handover ................................................................................................................................. 32

3.1. Introduction ................................................................................................................................... 32

3.2. Handover ....................................................................................................................................... 32

3.3. Caractéristiques des handovers ..................................................................................................... 33

3.4. Mécanisme de Handover ............................................................................................................... 33

3.5. Principales fonctions de Handover ................................................................................................ 34

3.6. Les phases de handover ................................................................................................................. 34

3.7. Les types de handover ................................................................................................................... 37

3.8. Gestion des handovers dans différentes technologies .................................................................... 38

3.8.1. Handover avec la norme GSM ................................................................................................. 38

3.8.2. Handover avec UMTS .............................................................................................................. 38

3.8.3. Handover inter système ........................................................................................................... 39

3.8.4. Handover avec WiMAX ........................................................................................................... 39

3.9. Conclusion ..................................................................................................................................... 46

Chapitre IV Simulation ............................................................................................................................... 47

4.1. Introduction ........................................................................................................................................ 47

4.2. Présentation du logiciel Matlab ..................................................................................................... 47

4.3. Environnement de simulation........................................................................................................ 47

4.4. Méthodologie et métrique d’évaluation ......................................................................................... 49

4.5. Simulation ...................................................................................................................................... 50

4.5.1. Handover entre les BTS (MACRO – MACRO) ...................................................................... 50

4.5.2. Handover entre BTS (Macro – Micro) ................................................................................... 56

4.6. Conclusion ..................................................................................................................................... 60

Conclusion générale ...................................................................................................................................... 61

Bibliographie ................................................................................................................................................. 62

Table des figures

Table des figures

Figure 1.1 : Catégories des réseaux sans fil …………………………………………………..02

Figure 1.2 : Taille de la cellule………………………………………………………………...04

Figure 1.3 : Evolution des normes cellulaires…………………….………………………...…11

Figure 2.1 : Types de mobilité………………………….……………………………………..18

Figure 2.2 : Macro mobilité et Micro mobilité………………………………………………..19

Figure 2.3 : Transfert intercellulaire………………………...…………………………….…..20

Figure 2.4: Les différents éléments d'un réseau Mobile IP………………………………..…23

Figure 2.5 : Encapsulation IP dans IP…………………………………………………………24

Figure 2.6 : Entête IPV4………...……………………………………………………….……24

Figure 2.7 : Enregistrement auprès de l’agent mère…………………………………..………26

Figure 2.8 : Dés-enregistrement auprès de l’agent mère…………………………..………….27

Figure 2.9 : Routage triangulaire du correspondant au mobile……………..……….……..…28

Figure 2.10 : Routage triangulaire du mobile au correspondant…………………..…………28

Figure 2.11 : Architecture Cellular IP………………………………………………..….…….32

Figure 2.12 : Schéma récapitulatif sur la gestion de mobilité…………..………………..……33

Figure 3.1 : Décision et exécution du HANDOVER………………………..……………...…34

Figure 3.2 : Les différentes phases du HO…………………………………………………….38

Figure 3.3: Hard handover………………………………………………………………….....39

Figure 3.4: Soft handover…………………………………………..…………………...…….39

Figure 3.5 : Fonctionnement du Hard Handover………………………………………………42

Figure 3.6 : Fonctionnement du MDHO………………………………………………………44

Figure 3.7 : Fonctionnement du FBSS…………………………………………………...……46

Figure 4.1 : coordonnés des BTS……………………………………………………………...50

Figue 4.2 : Les zones de couverture………………………………………………..………...50

Figure 4.3 : Coordonnées du mobile……………………...………………………………...…51

Figure 4.4 : Positions du mobile…………...……………………………………………….…51

Figure 4.5 : Mesure de RSSI en fonction de la distance………………………………………53

Figure 4.6 : Puissance du signal reçu par le mobile……………………………………………53

Figure 4.7 : Organigramme du handover entre BTS (Macro- Macro)…………………………55

Figure 4.8 : Intersection de zone de couverture……………………………………………….56

Figure 4.9 : Phase de mesure………………………………………...………………………..56

Table des figures

Figure 4.10 : Phase de préparation…………………………………………………………....57

Figure 4.11 : Phase d’exécution …………………………………………………………...…57

Figure 4.12 : Handover entre macro – micro………...…………..……...……………………59

Figure 4.13 : Puissance du signal reçu du mobile……………………………………………..60

Figure 4.14 : Organigramme de handover Macro – Micro…………………………………....61

Figure 4.15 : Phase de mesure………………………………………………………………...61

Figure 4.16 : Phase de préparation…………………………………………………………….62

Figure 4.17: Phase d’exécution………………………………………………………………..62

Liste des tableaux

Liste des tableaux

Tableau 1.1 : Comparaison entre les normes cellulaires……………………………………...15

Tableau4.1 : Données utilisées……….....…………………………………………………….47

Tableau 4.2 : Tableau des moyennes RSSI reçues…………………………………………….52

Tableau 4.3 : Positions du mobile pendant le handover………………………………………53



1G 1 ère Génération

2G 2 ème Génération



ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

ARP Address Resolution Protocol

BTS Base Transceiver Station

BS Base Station

BSC Base Station Controller

CDMA Code Division Multiple Access

CN Correspondent Node

COA Care Of Address

DC-HSPA Dual-Cell High Speed Packet Access

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

ECID Enhanced Cell ID

EDGE Enhanced Data Gates for GSM Evolution

FA Foreign Agent

FBSS Fast Base Station Switching

GNSS Global Navigation Satellite System

GPP Generation Partnership Project

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System Mobile communication

HA Home Agent

HN Home Network

HO Handover

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/ADSL.htm


HSDPA High Speed Uplink Packet Access

HSPA High Speed Packet Access

ICMP Internet Control Message Protocol

IETF Internet Engineering Task Force

IMEI International Mobile Equipment Identity

IMSI International Mobile Subscriber Identity

IP Internet Protocol

IPTV Internet Protocol Television

LTE Long Term Evolution

MAC Media Access Control

MAHO Mobile Assisted Handover

MCoA Multiple Care-of Addresses

MDHO Macro Diversity Handover

ME Mobile Equipment

MIPv4 Mobile IPv4

MIPv6 Mobile IPv6

MN Mobile Node

MS Mobile Station

MSC Mobile Switching Centre

NEMO Network Mobile

NEMO BS Network Mobility Basic Support

OTD Observed Time Difference

OTDOA Observed Time Difference Of Arrival)

PMIP Proxy Mobile IP

PSTN Public Switched Telephon Network

PRS Public Regulated Service


QoS Quality of Service

RAT Radio Access Technology

RFC Requests For Comments

RRC Radio Ressource Control

RSS Received Signal Strength

RSSI Received Signal Strength Indication

RTT Round Trip Time

SIM Subscriber Idendity Module

TOA Time of Arrival

TRX Transmission/Reception Unit

UDP User Datagram Protocol

UE User Equipement

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

UTDOA Uplink Time Difference Of Arrival

Wi-Fi Wireless Fidelity

WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access

Introduction générale

1

Introduction générale

Depuis les années 90, la technologie réseau et radio mobile a fait l'objet de progrès

phénoménaux. Les réseaux mobiles et sans fil ont connu un essor sans précédent. Il s'agit d'une

part du déploiement de plusieurs générations successives de réseaux de télécommunications

essentiellement dédiés à la téléphonie (2ème Génération, GSM), puis plus orientés vers le

multimédia (3ème Génération, UMTS), la future génération de réseaux sans fil dite de

quatrièmes générations (4G) apporte un véritable tournant dans le Foisonnement et la disparité

des solutions existantes.

Cette avancée technologique s'est faite en parallèle du côté réseau, du côté application

et du coté besoin de l’utilisateur. L’évolution rapide de la technologie a eu pour conséquence

l’existence d’un environnement hétérogène où la couverture est assurée par la coexistence de

plusieurs types de réseaux. Le défi soulevé par cette architecture est de pouvoir naviguer entre

plusieurs réseaux d’une façon transparente. La navigation entre réseaux de types différents est

connue sous le nom du Handover.

Au terme de ce travail de fin de cycle de graduation « Gestion de la mobilité dans les

réseaux cellulaires », notre préoccupation est de montrer les principes de la mobilité.

Pour y remédier, nous allons au premier chapitre expliquer les réseaux cellulaires d’une

manière générale tout en expliquant son évolution et ses caractéristiques.

Ensuite, au deuxième chapitre nous allons présenter les différents protocoles de mobilité

dans les réseaux cellulaires, qui s’appuient sur le protocole mobile IP et ses extensions.

Dans le troisième chapitre, nous allons présenter le mécanisme du handover, qui est un

mécanisme fondamental dans la communication cellulaire, il représente l’ensemble des

opérations mises en œuvre permettant au mobile de changer cellule sans interruption de service.

Enfin, au quatrième chapitre, l’étude que nous allons mener se caractérise

essentiellement par l’utilisation d’un simulateur (MATLAB) pour l’implémentation du

handover dans les réseaux cellulaires.

Chapitre I Généralités sur les réseaux cellulaires

2


1.1. Introduction

La téléphonie cellulaire est un système de communication sans support matériel ayant

pour but d’assurer la communication entre les abonnés mobiles.

Avec les progrès de l’informatique une nouvelle génération se profile, la

télécommunication mobile devenant ainsi un service de masse, elle est devenue au même titre

que l’eau courante ou l’électricité, un service de base.

Tout au long de ce chapitre, nous allons essayer d’expliquer les généralités des réseaux

cellulaires.

1.2. Les réseaux sans fil

Un réseau sans fil est un réseau informatique qui permet de connecter différents nœuds

sans l’aide d’une connexion physique qui établit la communication par des ondes

électromagnétiques. Les réseaux sans fil permettent de relier des ordinateurs et d’autres

appareils informatiques sans avoir à installer de câblage [1].

1.3. Les catégories des réseaux sans fil

Nous distinguons habituellement plusieurs catégories de réseaux sans fil, selon le

périmètre géographique offrant une connectivité (appelé zone de couverture).

Figure 1.1 : Catégories des réseaux sans fil [1].


3

1.4. Les réseaux cellulaires

Un réseau cellulaire est un système de télécommunication qui doit répondre aux

contraintes de la mobilité de l’abonné dans le réseau, par l’étendu du réseau et par les ondes

radio qui lui sont allouées.

Un système de réseau cellulaire couvre l’ensemble d’infrastructures spécialement

destinées aux équipements d’acheminement de communication vers les mobiles ou les ondes

radio, dans le cas d’un réseau cellulaire servent de lien entre le terminal de l’abonné et

l’infrastructure de l’opérateur [2].

1.4.1. Radiotéléphonie cellulaire

Un système de radiotéléphonie mobile autrefois analogique et maintenant numérique

assurant la totalité des services proposés par le réseau fixe, plus celui de la mobilité : possibilité

de maintenir une communication en cours de déplacement (handover) et la possibilité d’appeler

et d’être appelé lorsque l’on se trouve à l’étranger (Roaming international).

1.4.2. Concept cellulaire

La téléphonie cellulaire rassemble tous les postes radio à deux canaux, l’un pour

l’émission et l’autre pour la réception en évitant les interférences probables.

Le concept cellulaire permet d’atteindre des capacités importantes illimitées au moyen

d’un grand nombre de stations radios dont chacune couvre une surface géographique appelée

« cellule ».

Ce concept consiste à diviser un territoire en cellules dont chacune est couverte par une

station radio ou station de base(BTS) du réseau. Et ainsi la réutilisation d’une même station afin

d’éviter les phénomènes d’interférences sur le signal utile reçu par le terminal mobile pour la

station de base [2].

1.4.3. Définition de la Cellule

Nous appelons cellule, une surface géographique couverte par des antennes sur laquelle

il y a la disponibilité d'un canal de transmission donnée (voie balise), constitué d'une voie radio

électrique caractérisée par une fréquence donnée ou un couple de fréquences données selon les

services assurées.


4

Les cellules sont disposées de façon adjacente les unes contre les autres et peuvent

couvrir un rayon variant de 5 à 20 Km, c'est-à-dire qu'elles peuvent desservir les abonnés situés

dans un cercle de 10 à 50 Km de diamètre. La cellule joue le rôle d'interface entre le mobile et

le central cellulaire [2]. Elle assure donc les fonctions suivantes :

Affectation des canaux de communication aux mobiles.

Emission permanente de la signalisation.

Supervision de la communication

Figure 1.2 : Taille de la cellule

1.4.4. La division cellulaire

Un réseau comporte plusieurs cellules de différente dimension selon :

La ou les opérateurs achètent les licences

Le nombre d’utilisateurs potentiels dans sa zone.

La configuration du terrain (relief géographique, présence d’immeuble).

La nature et les densités des constructions (maisons, buildings, immeubles en

béton..).

La localisation (rurale, suburbaine, ou urbaine).

Alors, le réseau radio mobile sera divisé en petites zones de couverture radio, en forme

de nid d’abeille, au centre desquelles sont implantés les émetteurs-récepteurs.

Une zone couverte par une antenne est caractérisée par :


5

- La puissance d’émission normale de sa BTS.

- Sa fréquence de porteuse utilisée pour l’émission radio électrique.

- Le réseau auquel elle est interconnectée.

1.4.5. Déploiement des réseaux cellulaires

L’opérateur devra tenir compte des contraintes du relief topographique et des contraintes

urbanistiques pour dimensionner la taille et la forme des cellules de son réseau. Pour cela, on

distingue :

La macro cellule omnidirectionnelle : ce type classique de cellule est plus utilisé dans

les zones rurales (à faible densité d’abonnés).

La macro cellule bi sectorisés : ce type de cellule est utilisé dans un environnement

médian (ruro-urbain). Malheureusement ce type de cellules est de plus en plus délaissé au profit

des cellules tri sectorisées.

La macro cellule tri sectorisée : c’est le type de cellule la plus utilisée dans les zones

urbaines à forte densité de trafic.

Les microcellules sont des cellules de petite dimensions destinées au zones à forte

densité de trafic, tandis que les pico cellules sont pourtant des cellules de taille encore plus

inferieures, prévues pour des endroits tels que les gares, les galeries marchandes … [2].

1.5. Caractéristiques d’un réseau cellulaire

Un réseau cellulaire est caractérisé par : [3]

Handover

Le handover est la capacité pour un terminal de changer de cellule de manière tout à fait

transparente sans coupure de communication.

Roaming

Permet à un abonné de téléphoner même dans un pays étranger à l’autre sans changer

son terminal, ni son abonnement, et cela peut se faire avec accords entre les opérateurs de tous

ces pays pour fournir les services voulus.


6

Sectorisation

Le lieu physique où sont installées une ou plusieurs stations de base avec leur

alimentation en énergie, et les liaisons avec le BSC.

Assignation des fréquences

Les paires de fréquences sont gérées par le système et l'attribution des fréquences en

téléphonie cellulaire n'est possible lorsque l'abonné lance un appel de communication.

Réutilisation des fréquences

Ce principe permet d'éviter la saturation dans les cellules quand le nombre d'abonné

augmente pour éviter les effets d'interférence entre les canaux. Elle permet d'utiliser une

fréquence plusieurs fois à l'intérieur d'une même ville dans les cellules non adjacentes.

1.6. Constitution d’un réseau cellulaire

D'une manière générale, un réseau cellulaire est composé de :

La cellule.

La station de transmission de base (BTS).

Contrôleur de station de base (BSC)

Les supports de transmission.

Les postes d'abonnés.

1.6.1. La station mobile (MS)

La station mobile correspond au téléphone portable. À l’intérieur du MS plusieurs

entités fonctionnelles existent comme l’équipement mobile (Mobile Equipment, ME) qui est

responsable de la transmission et de la réception radio. Chaque ME possède un code unique

pour l’identifier. Il s’agit de l’International Mobile Equipment Identity (IMEI). À chaque

utilisation du ME, le code IMEI doit être vérifié pour mettre hors service tout mobile volé ou

grillé. La carte Subscriber Idendity Module (SIM) est une entité indispensable pour l’accès au

réseau. Elle contient toutes les informations concernant l’abonné (la liste des réseaux

accessibles et/ou interdits), l’International Mobile Subscriber Identity (IMSI) est un numéro

mondialement unique pour identifier l’abonné aussi bien que les services auxquels il a droit [4].


7

1.6.2. Station de transmission de base

La BTS ou base tranceiver station est un élément de base du système cellulaire de

téléphonie mobile appelé antenne-relais.

Schématiquement, elle est composée essentiellement d'un élément d'interface avec la

station la contrôlant (la BSC), d'un ou plusieurs émetteurs et récepteurs (transceiver, TRX) et

d'une à trois antennes : elle forme ainsi une cellule (base du maillage d'un réseau de téléphonie

mobile).

- Une BTS classique est conçue pour les zones rurales et peut émettre jusqu'à 35 km au

maximum (dans la bande de fréquence des 900 MHz). On parle de macro-cellule pour

un rayon compris entre 2 km et 50 km elles sont caractérisées par une puissance de 20

à 30 watt.

- Les micros BTS sont conçues pour les zones urbaines denses ou dans les stations métro,

supermarché, aéroport, etc…, de puissance allant de 0,25 à 5 watt et définissent des

microcellules (rayon inférieur à 500 m), les Femtocells ont une portée de 10 à 20 m

(utilisées en général dans des locaux fermés) [5].

Les rôles principaux d'une BTS sont :

Gestion de la transmission et la réception du signal suivant des formats et un protocole

spécifique à chaque génération (2G, 3G, 4G).

L'activation et la désactivation d'un canal radio.

Le multiplexage temporel et la gestion des sauts de fréquences

Le chiffrement du contenu à transmettre (pour la confidentialité de la communication sans

fil)

Le contrôle de la liaison

La surveillance des niveaux de champ reçu et de la qualité des signaux (nécessaire pour

le transfert intercellulaire).

le contrôle de la puissance d'émission

1.6.3. Contrôleur de station de base (BSC)

Ce sont des concentrateurs de BTS. Ils gèrent les ressources radioélectriques et le

fonctionnement d’un certain nombre de stations de base notamment les handovers tandis que

https://fr.wikipedia.org/wiki/Base_station_controller

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9seau_de_t%C3%A9l%C3%A9phonie_mobile

https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9seau_de_t%C3%A9l%C3%A9phonie_mobile

https://fr.wikipedia.org/wiki/Femtocell

https://fr.wikipedia.org/wiki/Chiffrement

https://fr.wikipedia.org/wiki/Handover


8

les BTS ne font qu’appliquer les décisions prises par le BSC. Un BSC standard peut contrôler

une soixantaine de BTS, ce nombre peut être réduit en zone rurale. Le BSC est connecté aux

BTS par l’interface Abis et aux MSC par l’interface A [4].

1.6.4. Support de transmission

Les supports de transmission ont pour rôle de faire véhiculer les informations

téléphoniques entre deux points quelconques distants, et leur bande passante varie en fonction

de leur nature.

Les supports de transmission se classent en plusieurs catégories suivant la nature des

signaux à transmettre et des systèmes mis en œuvres. Mais pour le cas du réseau cellulaire,

il y a :

Le câble coaxial.

la fibre optique.

le faisceau hertzien (c'est le support le plus utilisé en téléphonie cellulaire grâce au

rayonnement des ondes électromagnétiques).

Les supports de transmission assurent la liaison entre les mobiles, sites cellulaires et le

central cellulaire. La liaison entre le mobile et le site cellulaire se fait par rayonnement

électromagnétique en modulation de fréquence sans oublier que la transmission entre le site

cellulaire et le central téléphonique peut se faire soit par câble, soit par fibre optique ou soit par

faisceau hertzien.

1.6.4.1. Transmission par fibre optique

Une fibre optique est un fil en verre très fin qui conduit la lumière sans pertes

importantes et sur des distances très grandes. Grâce à ces caractéristiques et à la suite aux

développements de ses composants permettant de moduler la lumière, la fibre optique est

surtout utilisée dans la transmission de flux de données. Elle offre des débits d'information

nettement supérieurs à ceux des câbles téléphoniques en cuivre voire aux câbles coaxiaux.

Elle constitue la principale composante d'un réseau large bande tel qu'il est actuellement

déployé par tous les opérateurs télécom.

Elle permet le transport simultané d'un nombre quasi illimité de données. Un opérateur

peut offrir à ses clients, en simultanée, le téléphone, l'internet ultra large bande, la télévision

(IPTV), vidéoconférence, etc… [6].


9

1.6.4.2. Transmission par faisceau hertzien

Les faisceaux hertziens présentent des caractéristiques particulières, en principe, ils sont

constitués d'une succession des stations relais comportant chacune pour chaque sens de

transmission, un émetteur, un récepteur, et leurs antennes, les deux stations terminales

comportent en outre les équipements de modulations et de démodulations.

En réalité, dans chaque station utilise généralement la même antenne pour l'émission et

pour la réception dans une même direction. Leur propagation est limitée à l'horizon optique et

leur affaiblissement dépend de la distance.

Le système de faisceaux hertziens à visibilité directe est celui dont les trajets entre les

antennes d'émission et de réception sont dégagés de tous les obstacles de façon que les

phénomènes de diffraction soient complètement négligeables.

Une autre particularité des faisceaux hertziens est l'utilisation du satellite de

télécommunication comme étant un relais de transmission spatial. Une liaison de

télécommunication par satellite peut être considérée comme une extension d'une liaison par

faisceau hertzien.

Les développements des faisceaux hertziens avait permis à la plupart des pays d'installer

un réseau national de télécommunication de bonne qualité [7].

1.7. Fonctionnement du réseau cellulaire

La procédure générale pour l'établissement d'une communication cellulaire, se fait de la

manière suivante :

L'abonné par son canal de signalisation demande l'attribution d'une fréquence, cet

abonné forme le numéro de son correspondant qui sera enfin envoyé à l'ordinateur central en

temps réel, et cet ordinateur analyse les autorisations de deux correspondants se trouvant dans

sa base de données.

Si elles sont conformes, l'ordinateur lance une recherche du correspondant dans toutes

les cellules , si cet abonné se trouve dans un réseau câble, il établit une liaison avec le central

PSTN (Public Switched Telephon Network) , si l'abonné est du type cellulaire, la cellule en

charge l'identifie et répond à l'ordinateur central ordonnant une connexion en passant par le

commutateur central.

Après cette identification, la communication peut se réaliser et cela dans un délai de 20

ms sans être audible à l'oreille.

Le réseau cellulaire présente les avantages et les inconvénients suivants :


10

a. Avantages

La suppression des câbles entraine la mobilité de l’abonné.

Le contrôle rapide et automatique du réseau grâce aux ordinateurs et leurs bases de

données.

L'adaptation rapide et facile aux réseaux à forte ou à faible densité de trafic en restant

dans les mêmes proportions de l'investissement par abonné.

b. Inconvénients

La maintenance coûteuse.

La disponibilité des fréquences limitées.

1.8. Les qualités de services définies par les réseaux cellulaires

Avec l’évolution des réseaux cellulaires on trouve des changements sur la QoS (Quality

of Service) désirée par l’utilisateur. La qualité de service est généralement définie par les

critères suivants :

Délai

Temps écoulé entre l’envoi d’un paquet par un émetteur et sa réception par le

destinataire. Le délai comprend les délais de propagation, de transmission, de traitement et

d’attente dans les systèmes intermédiaires.

Gigue sur le délai

Variation du délai de deux paquets consécutifs.

Bande passante minimum

Taux de transfert minimum pouvant être maintenu entre deux points terminaux.

Fiabilité

Taux moyen d’erreurs d’une liaison.

Nous allons développer ces critères dans le chapitre 4.


11

1.9. Evolution des normes cellulaires

Nous distinguons quatre types des systèmes radio mobiles suivant la date de leur

développement et leurs caractéristiques techniques : Pour expliquer l’état actuel des

technologies utilisées aujourd’hui, il nous semble intéressant de rappeler l’évolution de ces

techniques, cela a pour avantage de savoir de quoi nous sommes partis pour mieux se

positionner à l’heure actuel [8].

Figure 1.3 : Evolution des réseaux cellulaire [8].

1.9.1. La première génération (1G)

La Première Génération des systèmes cellulaires (1G) est apparue dans le début des

années 80 en offrant un service médiocre et très couteux de communication mobile. La 1G avait

beaucoup de défauts, comme les normes incompatibles d'une région à une autre, une

transmission analogique non sécurisée (écouter les appels), pas de Roaming vers l'international.

1.9.2. La deuxième génération (2G)

La deuxième génération (2G) de systèmes cellulaires repose sur une technologie

numérique a été développée au début des années 90. Ces systèmes cellulaires utilisent une

technologie numérique pour la liaison ainsi que pour le signal vocal. Ce système apporte une

meilleure qualité ainsi qu’une plus grande capacité à moindre coût pour l’utilisateur.

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/generation-systeme-cellulaire.htm


12

La deuxième génération de systèmes cellulaires (2G) utilise essentiellement les standards

suivants :

GSM (Global System for Mobile communication) : le réseau GSM a pour premier

rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles (GSM) et abonnés du

réseau téléphonique commuté. Il se distingue par un accès spécifique appelé la liaison

radio.

GPRS (General Packet Radio Service 2.5 G): 2,5 G est un système mobile

intermédiaire entre la 2G et la 3G (débits inférieurs à 100 kbit/s), c’est une évolution

des réseaux GSM avant leur passage aux systèmes de troisième génération.

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution, 2,75G) : est un réseau de

transition entre GPRS et UMTS, il permet un débit plus élevé. EDGE est issu de la

constatation que dans un système cellulaire, tous les mobiles ne disposent pas de la

même qualité de transmission. Le contrôle de puissance tente de pallier ces inégalités

en imposant aux mobiles favorisés une transmission moins puissante.

1.9.3. La troisième génération (3G)

La 3G est la troisième génération de téléphonie mobile. Elle englobe notamment les

technologies Universal Mobile Télécommunications System (UMTS), celle-ci étant utilisée

dans un très grand nombre de pays, et CDMA2000, qui existe notamment aux Etats-Unis. Ces

technologies permettent des débits beaucoup plus rapides que ceux de la génération précédente,

et permettent des usages multimédias tels que la transmission de vidéos, la TV mobile, la

visiophonie ou l’accès à internet haut débit.

L’UMTS se caractérise par des débits théoriques de l’ordre de 2 Mbit/s et pratiques de

l’ordre de quelques centaines de kbit/s.

En quelques années, des extensions ont été mises au point afin d’améliorer les débits

proposés. On observe notamment trois sous-technologies 3G :

Le HSPA (High Speed Packet Access) : Parfois appelé génération 3,5G, qui se

caractérise par une évolution de l’UMTS pour un débit maximum théorique de 14,4 Mbit/s et

pratique d’environ 3,6 Mbit/s).

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/GSM.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/GPRS-gsm.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/2G.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/3G.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/EDGE-Enhanced-Data-Rates-GSM-Evolution.htm


13

Le HSPA+ (High Speed Packet Access +) : Parfois appelé génération 3,75G, qui se

caractérise par un débit 1 / 2 Telecom-infoconso.fr http://www.telecom-infoconso.fr

maximum théorique de 21Mbit/s et pratique d’environ 5 Mbit/s).

Le DC-HSPA+ (Dual-Cell High Speed Packet Access+) : Egalement appelé

génération 3,75G, qui se caractérise par un débit maximum théorique de 42 Mbit/s et

pratique de plus de 10 Mbit/s.

Les sigles 3G+, H+ ou DC peuvent également être utilisés par les opérateurs, cependant,

leurs définitions, notamment en ce qui concerne les débits pouvant être atteints, peuvent différer

selon les opérateurs.

Trois opérateurs en Algérie sont titulaires d’autorisations d’utilisation de fréquences

3G : OOREDOO, Mobilis, et Djezzy. Les fréquences utilisées pour la 3G sont dans les bandes

900 MHz et 2100 MHz.

1.9.4. La quatrième génération (4G)

La 4G constitue la quatrième génération des technologies de téléphonie mobile. Elle

repose sur la nouvelle norme « LTE » ou long Term Evolution, et succède directement à

la technologie 3G et à la 3G+, qui se fondaient quant à elles sur les normes UMTS et HSDPA

et qui se caractérise par un débit théorique de 150 Mbit/s. Tout comme la 3G représentait déjà,

à l'époque, une augmentation du débit par rapport aux premiers appareils GSM en 2G, la 4G se

caractérise par une augmentation très importante du débit de données. En pratique, toute fois,

la majorité des clients doivent s'attendre à bénéficier d'un débit de 20 Mb/s au maximum. Cette

valeur reste certes inférieure au seuil du « très haut débit », fixé à 30 Mb/s par l'ARCEP, mais

elle est environ dix fois supérieure aux débits constatés en 3G (2 Mb/s dans le meilleur des cas)

[9].

1.9.4.1. Le WIMAX

WIMAX est une technologie permettant des connexions sans-fil à haut-débit sur des

zones de couverture de plusieurs kilomètres. Le WIMAX est une des alternatives de couverture

pour l'Internet haut-débit de zones difficiles à couvrir par l'ADSL.

https://www.jechange.fr/telecom/mobile/guides/technologie-3G-3557

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/internet.htm

http://www.marche-public.fr/Terminologie/Entrees/ADSL.htm


14

Le WIMAX mobile ou norme 802.16 e, permet de se déplacer tout en restant connecté

à Internet, ceci par l'intermédiaire d'un appareil mobile (ordinateur portable, assistant personnel

ou téléphone mobile) équipé d'une carte WIMAX. A ses débuts, le WIMAX mobile permet de

se déplacer dans l'intégralité d'une zone couverte par l'intermédiaire d'une antenne centrale, le

tout sans déconnexion, par la suite le WIMAX permet de passer d'une zone de couverture à une

autre sans déconnexion. Le WiMAX quant à lui a une large zone de couverture théorique de

(50 Km) avec un débit montant et descendant de 70Mbits/s. On peut donc considéré que le

WIMAX mobile est un concurrent du WIFI au niveau informatique et de la 3G au niveau mobile

puisque une installation WIMAX reviendrait moins chère qu'une installation WIFI ou filaire.

Le WIMAX mobile permettra aussi d'utiliser la téléphonie IP ainsi que tous les services de

téléphonie haut débit, ceci pourrait permettre d'utiliser les services téléphoniques dans des lieux

où il n'y a aucune couverture des réseaux de téléphonie mobile [10].

1.9.4.2. Buts de la 4G

Les principaux objectifs visés par les réseaux de 4ème génération sont les suivants :

Assurer la continuité de la session en cours (éviter l'interruption des services durant

le transfert intercellulaire)

Réduire les délais et le trafic de signalisation ;

Fournir une meilleure qualité de service.

Optimiser l'utilisation des ressources.

Réduire le délai de relève, le délai de bout-en-bout, la gigue et les pertes de paquets

Minimiser le coût de signalisation.

Basculer l'utilisation vers le tout-IP

1.10. Différences entre la 3G et la 4G

La 4G offre une vitesse de connexion 10 fois plus rapide que la 3G, c’est pour cela

que l’on parle également de très Les principales haut débit mobile.

la latence beaucoup moins important que dans le réseau 3G et une large bande

passante, une bande de fréquence flexible.

La vitesse de téléchargement moyenne sur un réseau 4G se situe entre 3 et 6

Mbit/s avec une vitesse de pointe pouvant atteindre les 10 Mbit/s. la 3G offre un


15

transfert de données moyen (débit) qui oscille entre 600 Kbit/s et 1,4 Mbit/s, alors

que sa vitesse de pointe est d’environ 3,1 Mbit/s.

La technologie 4G n’a pas encore été déployée partout (notamment en zone rurale).

Ainsi, de nombreux utilisateurs doivent encore se contenter d’un réseau 3G car la

zone n’a pas encore de couverture réseau et d’antenne relais 4G.

La 4èmeGénération vise à améliorer l'efficacité spectrale et à augmenter la capacité de

gestion du nombre de mobiles dans une même cellule. Elle tente aussi d'offrir des débits élevés

en situation de mobilité et à offrir une mobilité totale à l'utilisateur en établissant

l'interopérabilité entre les différentes technologies existantes.

Standard Génération Bande de fréquence Débit

GSM 2G Permet le transfert de voix de données

numériques de faible volume

9,6 kbps

GPRS 2 ,5G Permet le transfert de voix de données

numériques de volume modéré

21,4-171,2 kbps

EDGE 2,75G Permet le transfert simultané de voix et de

données numérique

43,2-345,6 kbps

UMTS 3G Permet le transfert simultané de voix et de

données numérique à haut débit

0,144 – 2 Mbps

LTE/WIMAX 4G Permet le transfert simultané de voix et de

données numérique à haut débit

10 – 300 Mbps

Tableau 1 : Comparaison entre les normes cellulaires

1.11. Conclusion

Nous avons présenté des concepts généraux sur les réseaux cellulaires en se focalisant

sur l’architecture et les fonctionnalités de ce réseau. Par la suite nous avons présenté un aperçu

des différents composants et les caractéristiques de la quatrième génération afin de passer par

la suite à la gestion de la mobilité utilisée dans les réseaux mobiles.

Chapitre II Gestion de la mobilité

16

Chapitre II Gestion de la mobilité dans les réseaux cellulaires

2.1. Introduction

De nos jours, il est devenu nécessaire de pouvoir être joignable à n'importe quel endroit

de la planète, et ce, à tout moment. Nous entrons donc dans une aire de mobilité où les réseaux

sans fil et les équipements mobiles prennent de plus en plus d’importance. De nombreux

protocoles de mobilité sont ainsi apparus, dans le but de favoriser la mobilité des utilisateurs

et des terminaux. L’ultime but aujourd’hui, étant de tendre vers une mobilité totalement

transparente, indépendante de la zone géographique où se trouve l'utilisateur, et du type de

terminal qu’il emploie. Les chercheurs et industriels se penchent donc sur de nouveaux

standards qui permettront à terme d’assurer cette connectivité « Any where, Any time, Any

place ».

2.2. Définition de la mobilité

C'est la possibilité pour un hôte mobile de changer de position et de poursuivre ses

communications pendant son déplacement. Elle se traduit par la possibilité que certaines entités

peuvent être déplacées entre des points d’attachement différents c’est-à-dire de changer de

réseau de manière transparente du point de vue de l’adressage. La mobilité se manifeste, vis-à-

vis du réseau, comme une modification du système d’adressage.

Nous énumérons quelques exemples:

• Un terminal est physiquement déplacé à un autre endroit et reconnecté à l’Internet par le

biais d’un nouveau réseau.

• Un utilisateur décide d’utiliser un nouveau terminal.

• Un terminal connecté simultanément à plusieurs réseaux change l’interface active.

• Parallèlement au déplacement de l’utilisateur, des données personnelles et applications

portables sont migrées sur un autre terminal.

2.3. Concept de mobilité

La mobilité des abonnés dans un réseau cellulaire a deux conséquences :

La gestion de localisation: Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle

cellule l'abonné se trouve. Il doit y avoir une continuité de la communication lorsque

l'abonné passe d'une cellule à une autre (transfert intercellulaire appelé handover).


17

Le roaming : Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming

doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un

abonné étranger soient traitées et aboutissent.

2.4. Type de mobilité

Nous définissons une connexion réseau comme une liaison établie par deux entités qui

se trouvent aux deux bouts de la connexion et qui s’envoient des données. En fonction du

niveau d’abstraction, ces entités peuvent désigner les machines, les applications ou même les

utilisateurs. Dans ce qui suit, nous présentons les caractéristiques de ces différents types de

mobilité [11].

Figure 2.1 : Types de mobilité [11].

La mobilité de terminaux qui est celui rencontré le plus fréquemment. En fonction de

la portée et de la durée du déplacement, on distingue deux sous-catégories de la mobilité des

terminaux : La macro mobilité et la micro mobilité (voir la figure 2.2).

2.4.1. La macro mobilité

La macro mobilité concerne un déplacement entre deux domaines (réseaux) différents.

Elle peut avoir lieu au cours d’une session active d’un utilisateur mobile, ou encore au cours


18

d’une nouvelle session lancée par l’utilisateur dans un réseau visité, on parle alors de

nomadisme. Mobile IP a été conçu pour gérer ce type de mobilité.

2.4.2. La micro mobilité

La micro mobilité quant à elle, concerne le déplacement d’un nœud mobile entre deux

points d’attachement situés sur le même réseau. Les utilisateurs se déplacent avec leur

terminal tout au long d’une couverture réseau sans-fil fournie par un ou plusieurs points

d’accès. Ces points d’accès peuvent être équipés d’une même technologie et former des

cellules adjacentes, ou quand de différentes technologies sans-fil créent des zones de

couverture superposées. Quand un terminal est connecté à un réseau sans-fil, il peut être

déplacé sans problème dans le rayon de son point d’accès courant, avec des risques d’erreurs

de transmission si le terminal s’éloigne. (Ou bien s’il quitte son point d’accès courant allant

vers un autre point d’accès voisin.)

Figure 2.2 : Macro mobilité et Micro mobilité

2.5. La mobilité dans les réseaux cellulaires sans fil

Le processus le plus important de la mobilité dans les réseaux cellulaire est le transfert

intercellulaire. Le processus du transfert intercellulaire consiste à ce qu'un terminal mobile

maintienne sa session en cours, lors de son déplacement qui l’amène à changer de cellule.

Lorsque le signal de transmission entre un terminal mobile et une station de base s'affaiblit, le


19

terminal mobile cherche une autre station de base disponible dans une autre cellule qui est

capable d'assurer à nouveau la communication dans les meilleures conditions.

La figure 2.3 montre une illustration simplifiée du transfert intercellulaire. De façon

générale, plusieurs techniques concernant la mobilité dans ce qui suit .Parler de la mobilité des

utilisateurs revient à parler de la mobilité des terminaux mobiles, ces deux concepts sont

interchangeables. Sachant que les applications et les services utilisés via les réseaux cellulaires

ne peuvent se faire que par le biais des terminaux mobiles, nous pouvons assimiler la mobilité

des terminaux mobiles à celle des services et applications en cours sur ces terminaux mobiles.

Ainsi, la mobilité des utilisateurs, la mobilité des terminaux mobiles des utilisateurs et la

mobilité des services utilisés via les réseaux cellulaires par le biais des terminaux mobiles

peuvent être interchangeables [12].

Figure 2.3 : Transfert intercellulaire

2.6.Les fonctionnalités

Les fonctionnalités de base d’une gestion de la mobilité sont principalement la gestion

de la localisation et la gestion des handovers. Nous citons quelques fonctions que doit

nécessairement posséder un protocole autorisant la gestion de mobilité :

Le transfert des paquets.

La mise à jour des chemins ou des routes entre les BTS.


20

La gestion des handovers.

La gestion des adresses.

Les mécanismes d’authentification et de sécurité, etc…

2.7.Les critères de choix d’un protocole de gestion de la mobilité

Les critères de choix d’un protocole de gestion de la mobilité sont principalement la

durée totale du relais et le taux de paquets perdus durant la procédure.

Dans les réseaux IP, le problème majeur de la gestion des relais est que le relais de

niveau 3 (couche réseau) ne s’exécute qu’à la fin du relais de niveau 2 (couche liaison) que

nous allons développer dans le chapitre 3. Ce qui signifie qu’en cas de déconnexion du nœud

mobile de son ancien routeur et de connexion (nouveau lien radio) à un nouveau routeur, il doit

attendre que le relais de niveau 3 se fasse avant de pouvoir réutiliser les ressources du réseau.

C’est principalement sur cette forme de mobilité que nous allons nous attarder [11].

2.8. protocoles de la gestion de mobilité

Nous citons dans ce qui suit quelques protocoles de gestion de mobilité :

2.8.1. Mobile IP

Le premier standard à avoir vu le jour est la RFC 2002 de l’IETF, défini pour le support

de la mobilité sur les réseaux IP actuels.

L’objectif principal de ce protocole est de maintenir des communications existantes

entre un nœud mobile et ses correspondants pendant les déplacements. Ce protocole cherche

également à optimiser le routage le plus direct possible entre le mobile et ses correspondants

ainsi que le support de l’acheminement des paquets multipoint entre les mobiles et le reste des

participants à une communication de groupe. Pour remplir l’ensemble de ces fonctions, l’IETF

a identifié quatre acteurs : [10]

Mobile Node (MN) : le mobile

Correspondent Node (CN) : les correspondants


21

Home Agent HA : l’agent mère est un routeur situé dans le réseau administratif (réseau

mère), Il enregistre la localisation de l’utilisateur puis transfère ses paquets vers la

destination adéquate.

Foreign Agent FA : l’agent local (relais) est un routeur situé dans le réseau visité par

le mobile appelé, utilisé uniquement dans le cas de la mobilité IPv4. Ce routeur sur

lequel le mobile, en déplacement sur un nouveau réseau, est rattaché, propose des

adresses temporaires à tous les nœuds visiteurs et transfère les messages de contrôle

vers l’agent mère local des visiteurs.

Care-Of-Address COA : adresse temporaire attribuée à un nœud mobile lorsqu’il

arrive dans un nouveau domaine. Cette adresse est associée à l’adresse permanente du

nœud par l’agent local pour le réacheminement des paquets vers la nouvelle localisation.

Il existe deux sortes de COA :

FA-COA : elle est allouée au MN par l’agent visité.

Co-COA (Co-located COA) : elle est acquise par le nœud mobile de manière

complètement autonome grâce à des protocoles comme DHCP.

Home Network : Le sous-réseau hébergeant l’adresse IP du nœud mobile, son réseau de

rattachement en quelque sorte. Il peut s’agir du réseau d’entreprise, de l’université, etc.

Visited Network : correspond au sous-réseau visité par le nœud, son lieu d’itinérance.

Figure 2.4 : Les différents éléments d'un réseau Mobile IP [10].


22

2.8.1.1. Fonctionnement du protocole

Lorsqu’un mobile se déplace, il est amené à s’attacher à des points d’accès divers, ce

qui entraîne pour le mobile un changement d’adresse IP. En effet, un équipement IP est

généralement identifié par une adresse appartenant au réseau sur lequel il se trouve. Ce

changement d’adresse entraîne généralement la rupture des communications de niveau

transport. À travers le protocole Mobile IP, l’IETF permet de masquer ce changement aux

applications et sessions utilisées entre le mobile et ses correspondants. Les fonctionnalités

définies par l’IETF pour le mobile sont les suivantes :

Etre capable de découvrir son changement de point d’attachement sur l’Internet.

Etre capable de prévenir son agent mère, afin que celui-ci achemine les demandes de

communication des futurs correspondants du mobile. En effet, les futurs correspondants

du mobile ne peuvent pas connaître la position courante du mobile. Ces derniers font

initialement l’hypothèse que le mobile se situe dans son réseau mère.

Sécuriser les mécanismes de mise à jour de l’agent mère afin d’éviter les tentatives

d’usurpation d’identité.

Les fonctionnalités définies par l’IETF pour les correspondants du (des) mobile(s) sont les

suivantes :

Etre un routeur situé dans le réseau administratif du mobile

Etre capable d’apprendre les changements de positions des mobiles qu’il gère

Etre capable d’authentifier les mises à jour d’un mobile

Etre capable d’intercepter les paquets destinés à un mobile lorsque celui-ci n’est pas

dans son réseau mère

Etre capable d’acheminer les paquets destinés à un mobile vers sa position courante.

Scénario :

Figure 2.5 : Encapsulation IP dans IP


23

2.8.2. Mobile IPv4

Le protocole IPv4 ou Internet Protocol 4 a été utilisé à l'origine dans ARPANET.

Bien que ce soit la quatrième génération du protocole Internet, mais c'est la première

version majeure du protocole Internet qui trouve son application pour la plupart de

l'internet. Il existe un IPv6 plus récent qui est en cours de déploiement.

Selon IPv4, les adresses IP sont effectivement en nombres binaires sous forme de 0 et

1. Mais ils peuvent également être écrits comme des nombres décimaux séparés par un point.

L'IPv4 utilise un espace d'adressage 32 bits équivalant à 4 octets. Cela signifie que le

nombre total d'adresses IP sur Internet peut aller jusqu'à 2 ^ 32. C'est à dire environ 4,3

milliards d'adresses [13].

Figure 2.6 : Entête IPV4

2.8.2.1. Découverte des agents de mobilité

Un hôte mobile(MN) quitte son réseau mère (Home Network) dans lequel un agent local

(Home Agent HA) a été configuré, et se déplace vers un réseau visité où un agent étranger

(Foreign Agent FA) s’affaire à la gestion des visiteurs, mettant à leur disposition une adresse

temporaire (COA). A cette fin, le FA diffuse à intervalles réguliers un message (Advertisement

Message, semblable au message ICMP) contenant les adresses temporaires proposées par le

domaine visité. Ce message est diffusé sur le support physique (dans le réseau visité). Le MN

présent dans ce sous-réseau doit donc être à l’écoute des messages de diffusion [14].

2.8.2.2. Enregistrement auprès de l’agent mère

Lorsque le mobile reçoit un message contenant l’adresse temporaire, il la récupère et la

transmet à son agent local HA (sur son réseau mère), qui permet au mobile d’informer l’agent


24

local sur sa localisation. Au niveau du réseau mère, le HA construit une association entre

l’adresse IP du mobile et l’adresse temporaire COA que ce dernier vient d’acquérir.

Une fois l’enregistrement effectué, le mobile est alors parfaitement localisé et peut à

tout moment recevoir des paquets d’un correspondant CN sur le réseau.

Lorsque ce correspondant cherchera à joindre le MN, il utilisera son adresse IP originale

(celle qu’il possède dans son réseau mère), ignorant alors la nouvelle localisation de

l’utilisateur. Les paquets sont reçus par l’agent local HA, qui se charge de les transférer au

mobile.

Pour ce faire, il crée un tunnel, qui lui permet de faire de l’encapsulation IP dans IP entre

l’agent étranger FA du réseau visité (sur lequel se trouve actuellement le mobile), et lui-même,

pour le réacheminement de toute l’information en provenance d’un quelconque correspondant.

Etape 1

Une fois que le nœud mobile a une adresse temporaire valide, il émet un message

Registration Request (dans la Figure 2 .8) en indiquant la correspondance entre son adresse

principale et son adresse temporaire et éventuellement d’autres options. Ce message passe par

l’agent visité qui le transmet à l’agent mère du mobile s’il accepte les requêtes du nœud mobile.

Etape 2

L’agent mère doit acquitter le Registration Request pour bien confirmer la réception

(message UDP7) et pour informer le nœud mobile de l’acceptation ou du refus de la requête par

un Registration Reply A réception du Registration Request, aussi bien l’agent mère que le agent

visité mettent à jour leur cache d’association pour ce nœud mobile.

Figure 2.7 : Enregistrement auprès de l’agent mère [16].


25

Ensuite, tant que le nœud mobile reste dans le même sous-réseau étranger, il doit

uniquement envoyer un Registration Request à intervalle régulier pour éviter que son entrée

dans le cache d’association des agents de mobilité n’expire. Par contre, à chaque nouveau

déplacement dans un autre sous-réseau étranger, il devra reprendre les mêmes opérations que

celles décrites ci-dessus. Si le nœud mobile retourne dans son sous-réseau mère, il doit se dés-

enregistrer auprès de son agent mère.

Il envoie alors un De-Registration Request (dans la Figure 2.8) jusqu’à ce qu’il reçoive

un De-Regitration Reply (étape 2) qui spécifie que l’agent mère a bien reçu le message et qu’il

a supprimé l’entrée pour ce nœud mobile [16].

Figure 2.8 : dés-enregistrement auprès de l’agent mère [16].

2.8.2.3. Communication

La communication entre un nœud mobile et un correspondant quelconque sur Internet

est très spécifique et requiert plusieurs mécanismes des agents de mobilité. Comme un nœud

correspondant d’un nœud mobile ne connaît que l’adresse principale du nœud mobile, les

paquets à destination du nœud mobile sont toujours envoyés dans le sous réseau mère du nœud

mobile. Si le nœud mobile ne s’est pas déplacé, les paquets lui seront « livrés » de la même

manière qu’un nœud fixe, c’est-à-dire sans opérations supplémentaires. Par contre, si le nœud

mobile est dans un sous-réseau visité, son agent mère devra capturer tous les paquets destinés

au nœud mobile et les lui transmettre à son adresse temporaire, grâce à son cache d’association

,


26

Figure 2.9 : routage triangulaire du correspondant au mobile [16].

De l’autre côté, les paquets envoyés par le nœud mobile ont l’adresse du correspondant

comme adresse destination et l’adresse principale du mobile comme adresse source. Ceci

présente une entorse au modèle de l’Internet puisque l’adresse source des paquets envoyés par

le nœud mobile ne correspond pas au préfixe du sous réseau visité. Les paquets devront alors

obligatoirement passer par l’agent visité pour éviter qu’ils ne soient détruits (ingress filtering).

Par contre, une fois que les paquets ont été routés hors du sous-réseau visité, ils vont directement

du nœud mobile au correspondant sans passer par le réseau mère. C’est ce qu’on appelle le

routage triangulaire (voir Figure 2.10) [17].

Figure 2.10 : routage triangulaire du mobile au correspondant [17].


27

Etudions plus en détail les opérations nécessaires pour effectuer ce routage triangulaire

Tout d’abord, lorsque le nœud mobile se déplace dans un sous-réseau visité, il doit en informer

son agent mère à travers un Registration Request. A la réception de ce message, si l’agent mère

accepte la requête, en plus de créer ou de mettre à jour l’entrée pour ce nœud mobile, il envoie

une requête ARP sur le réseau principal afin de faire correspondre l’adresse IP du mobile avec

son adresse MAC. Ainsi il peut intercepter les paquets à destination du mobile. Ensuite, l’agent

mère doit faire suivre ces paquets à la position courante du mobile. Pour cela, il encapsule

chaque paquet en ajoutant un en-tête de destination rempli avec l’adresse temporaire courante

du mobile comme adresse destination et avec son adresse comme adresse source avant de les

tunnellés à l’agent visité. Enfin, chaque paquet est décapsulé par l’agent visité (suppression de

l’en-tête) et délivré au nœud mobile. Ces opérations sont décrites dans les Figure 2.7 et Figure

2.10 [18][19].

2.8.3. Mobile IPv6

Une nouvelle version du protocole IP est en train d’émerger depuis quelques années : il

s’agit de la version 6 du protocole IP. Ce protocole inclut entre autres la mobilité en standard.

L’objectif de MIPv6 est d’offrir une communication directe entre un nœud mobile et ses

correspondants (élimination du routage triangulaire) et éviter les ruptures des communications

pendant les déplacements. Bien que MIPv6 reprenne des mécanismes de MIPv4, de nombreuses

fonctionnalités supplémentaires ont été mises en place [20].

Fonctionnalités requises

Dans MIPv6, l’agent visité décrit dans MIPv4 n’existe plus. Par contre, l’agent mère est

encore un routeur d’accès du sous-réseau principal du nœud mobile. Son rôle est le même que

dans le cas de MIPv4, à savoir capturer les paquets à destination du mobile et les lui tunneller

à sa localisation courante. Par contre, les correspondants doivent mettre en œuvre certains

mécanismes supplémentaires :

Tout d’abord, ils doivent disposer d’un cache d’association tout comme l’agent mère,

dans ce cache sera stockée la correspondance entre l’adresse principale d’un nœud mobile avec

lequel il a une communication et son adresse temporaire courante. Il devra donc être capable de

traiter des messages de registration envoyés par un nœud mobile. De plus, il devra être capable

d’effectuer le routage directement vers le mobile (routing header). Ceci constitue un apport


28

important dans le fonctionnement de la mobilité puisque les paquets des correspondants

n’auront pas à passer par le réseau mère systématiquement. Mais toutes ces fonctionnalités

supplémentaires ne sont faites qu’au niveau de la couche IP, l’adresse identifiant la

communication au niveau applicatif sera toujours l’adresse principale du nœud mobile, la

couche IP cachant l’adresse temporaire source (ou destination selon qu’on se situe sur le nœud

mobile ou le correspondant).

2.8.3.1. Gestion de la Mobilité

Le routeur mobile opère le protocole NEMO BS qui lui permet d'être toujours joignable

par l'intermédiaire de son adresse principale tout comme les clients associés dans le réseau

mobile. Cette adresse principale est associée à une adresse temporaire auprès d'un équipement

appelé agent mère. Cette adresse temporaire représente la position réelle du routeur mobile dans

la topologie d'Internet et est mise-à-jour à chaque déplacement du réseau mobile vers un

nouveau réseau d'accès.

L'ensemble des flux à destination du réseau mobile passent toujours par l'agent mère,

qui peut donc assurer la continuité des flux tout au long des déplacements du réseau mobile.

2.8.3.2. Multi-domiciliation

Le routeur mobile dispose de plusieurs interfaces réseau lui permettant de se connecter

en parallèle a plusieurs réseaux d'accès IPv6. Son adresse principale est alors associée à

plusieurs adresses IPv6 temporaires (une par interface) grâce au protocole Multiple Care-of

Addresses registration (MCoA). Plusieurs chemins concurrents peuvent ainsi être maintenus

entre le routeur mobile et son agent mère.

2.8.3.3. Découverte de Services

Au niveau de l'opérateur, le routeur mobile se configure automatiquement avec les bons

paramètres (préfixe du réseau mobile, adresse de l'agent mère, etc.).

Au niveau des utilisateurs du réseau mobile, les clients associés peuvent après auto-

configuration IPv6.

http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-monami6-multiplecoa

http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-monami6-multiplecoa


29

2.8.4. Comparaison entre MIPv4 et MIPv6

Intégration de l’optimisation du routage dans Mobile IPv6 contre une RFC supplémentaire en

IPv4.

Utilisation de l’adresse temporaire comme adresse source en IPv6 alors que Mobile IPv4

utilise l’adresse permanente.

Mobile IPv6 est compatible avec les réseaux filtrants les paquets en sortie.

Mobile IPv6 simplifie l’émission de paquets multicast par le mobile.

Support dans le réseau visité

Mobile IPv4 requiert le déploiement de nœuds « agent visité » (Foreign Agent)

Mobile IPv6 utilise les mécanismes d’auto-configuration et de découverte des voisins

inhérents à IPv6 ==> pas de fonction particulière.

Sécurité

Mobile IPv6 utilise IP sec.

Mobile IPv4 défini ses propres mécanismes de sécurisation.

Routage

Mobile IPv6 permet d’éviter l’encapsulation (CN vers MN).

Signalisation

Mobile IPv4 utilise des messages d’enregistrement spécifiques (basés sur UDP).

Mobile IPv6 utilise les options de destination dans l'en-tête IP.

2.8.5. Cellular IP

Le protocole Cellular IP utilise aussi une architecture hiérarchique, l’Internet globale est

divisé en domaine constituant des aires de micro mobilité. Chaque niveau de mobilité est traité

par un protocole différent, adapté aux besoins du niveau. Cellular IP, inspiré des systèmes

cellulaires, se propose de résoudre la gestion de la mobilité à l’intérieur d’un domaine. Ce

protocole a été conçu pour répondre rapidement à un grand nombre de nœuds mobiles qui

migrent fréquemment. Par contre, c’est MIP qui gère la mobilité entre domaines. Cellular IP


30

interagit donc avec MIP, que ce soit dans sa version 4 ou 6 (avec des changements mineurs)

[21].

Dans une aire de micro mobilité, l’information de routage est totalement distribuée,

c’est-à-dire qu’aucun des nœuds ne garde une information globale sur la topologie du réseau.

Ceci rend la solution robuste. De plus, Cellular IP peut être utilisé dans un domaine allant d’un

bureau à un réseau s’étendant sur une ville et peut supporter un grand nombre d’hôtes. Le but

de Cellular IP est de procurer un seamless handoff à l’intérieur d’un domaine et de cacher les

mouvements des nœuds mobiles au reste de l’Internet [22].

Cellular IP fonctionne avec une hiérarchie composée d’un routeur passerelle et de

nœuds cellular IP, qui sont des points d’accès et des nœuds mobiles implémentant le protocole

Cellular IP (voir Figure 2.11). Le routeur passerelle assure la liaison entre le réseau cellulaire

IP et le reste d’Internet. Il filtre, contrôle et propage les paquets en provenance et à destination

du réseau cellulaire IP. Les points d’accès sont connectés ensemble par un réseau filaire et ont

une interface sans fil pour communiquer avec les nœuds mobiles. Bien que cette structure soit

bien adaptée pour le fast handoff, des traitements spécifiques pour le seamless handoff ont été

mis en place tel que le soft handoff qu’on détaillera plus tard [23].

Figure 2.11 : Architecture Cellular IP [23].


31

Figure 2.12: Schéma récapitulatif sur la gestion de mobilité

2.9.Conclusion

Nous avons présenté les différents protocoles de mobilité dans les réseaux mobiles, qui

s’appuient sur le protocole Mobile IP et ces extensions. Dans ce qui suit on s’intéresse au

handover au quel est consacré tout le chapitre 3.

Chapitre III Handover

32


3.1. Introduction

Le principal défi des réseaux mobiles est d’assurer la continuité du service et la qualité

exigée par l’utilisateur qui est en déplacement. Ceci passe nécessairement par une gestion

efficace des opérations et fonctions de base telles que le handover.

3.2. Handover

Le handover est un mécanisme fondamental dans la communication cellulaire. Il

représente l’ensemble des opérations mises en œuvre permettant à une station mobile de

changer de cellule sans interruption de service. Le processus consiste à ce qu’un terminal

mobile maintienne la communication en cours lors d’un déplacement qui amène le mobile à

changer de cellule. En effet, en entrant dans un secteur qui fournit un meilleur raccordement

par une nouvelle BTS, l’ancienne BTS doit être libérée et la nouvelle connexion doit être

établie. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles des handovers doivent être exécutés. D’une façon

générale les handovers sont nécessaires quand le raccordement n’est plus satisfaisant. Les

raisons les plus communes pour qu’un handover (HO) soit exécuté est dû au manque de qualité

du signal ou du niveau du trafic pour une station de base. Cette opération s’effectue en une

durée maximale de 200 ms [26].

Figure 3.1 : Décision et exécution du HANDOVER


33

3.3. Caractéristiques des handovers

• Qualité de signal

La puissance du signal est constamment mesurée par le mobile et la station de base, si

la qualité de signal diminue au-dessous d’un certain niveau (le rapport de signal/bruit qui

indique par le système) le handover sera exécuté.

• Qualité du trafic

Une cellule peut atteindre un certain niveau de charge à un moment donné, en effet

quand la qualité du trafic dépasse le niveau maximum de la capacité d’une cellule, les

utilisateurs de cette cellule sont remis à une autre cellule qui a une capacité plus disponible. De

cette façon les ressources radio sont utilisées d’une façon uniforme. Les handovers sont

également Adaptés au comportement de l’utilisateur mobile, d’une façon générale lorsqu’un

utilisateur se déplace uniformément, le nombre de handovers augmente avec l’augmentation de

la vitesse [27].

3.4. Mécanisme de Handover

Le Handover ou le transfert intercellulaire est l'ensemble des fonctions et des opérations

mises en œuvre entre une ou plusieurs stations de base et une station mobile, pour permettre à

cette dernière de changer de cellule et de bénéficier de meilleurs services d’une autre cellule

au lieu de l’ancienne. La station mobile aura la possibilité de continuer sa communication en

cours avec un minimum d’interruption, sachant que les deux cellules impliquées sont gérées

par un ou plusieurs réseaux. Le Handover intervient dans trois cas :

Une station mobile en mouvement passe d’une cellule à une autre.

Une indisponibilité signalée par la station de service, soit parce qu’elle est tombée en

panne, ou qu’elle est trop chargée par d’autres mobiles en communication, ou bien

encore que le signal d’une autre station de service devient meilleur que le sien. Dans

l’un de ces cas, s’il existe d’autres stations de service voisines disponibles, le Handover

sera établi.

Beaucoup d’interférences entre les stations mobiles dans une même cellule. Dans ce

cas un mobile décide de changer de cellule pour subir moins d’interférences.


34

3.5. Principales fonctions de Handover

Permettre aux utilisateurs de se déplacer pendant un appel.

Poursuite de la communication en évitant la rupture du lien mobile-réseau.

Equilibrage de trafic entre cellules.

Maintien d’une qualité acceptable pour l’usager en cas d’arrivée d’interférence.

Optimiser l’utilisation des ressources radio.

Minimiser la consommation d’énergie des mobiles [28].

3.6. Les phases de handover

Cette section présente les étapes de la réalisation d’un handover de façon générale, On

peut distinguer trois phases dans la réalisation d’un handover [29] :

La phase découverte

C’est la phase de mesure sur la cellule serveuse et sur les cellules voisines. La procédure

de Handover suppose un grand nombre de mesures pour un mobile afin de découvrir son

environnement et les points d’accès auxquels il peut potentiellement s’attacher et en même

temps la phase de mesure sur la cellule serveuse et sur les cellules voisines, la station mobile

utilise le message de reconfiguration de connexion RRC pour fournir la configuration de mesure

au mobile et attend un rapport de mesure du mobile. Ces mesures sont

la puissance du signal reçu (qui est un indicateur de qualité).

le taux d’erreur binaire.

la distance entre le mobile et le point d’attachement.

Dans cette phase, le Handover vertical doit être utilisé en conjonction avec les mesures

(signal reçu, taux d’erreur,..). Les éléments sont les suivants :

• Type de service : on peut avoir différents types de services qui demandent des qualités de

services différentes.

• Le coût : il s’agit d’un élément très important pour l’utilisateur, car les opérateurs vont

utiliser des stratégies de taxation qui vont déterminer son choix.

• Paramètres réseau : des paramètres de réseau comme le trafic, la bande passante disponible.


35

la phase de préparation

L’objectif premier de cette phase est de maximiser les chances de succès de la procédure

de handover, elle consiste en un simple échange de messages visant à :

interroger le contrôleur de la station de base gérant la cellule cible sur la possibilité de

réaliser ce handover. (meilleur signal, pas de risque de saturation).

obtenir de sa part les informations et paramètres grâce auxquels la station mobile

accèdera rapidement et de façon fiable aux ressources de la cellule, par exemple la

configuration des canaux logiques et de transport.

Cet échange peut avoir lieu directement entre deux contrôleurs du même système, s’il

existe une interface entre ces nœuds, ou par l’intermédiaire d’un ou plusieurs nœud(s) du réseau

cœur. En effet, dans le cas d’un handover inter système, chaque contrôleur de station de base

communique avec le nœud de son réseau et les nœuds qui relaient ensuite les informations entre

système source et système cible.

La phase de préparation doit être exécutée rapidement, puisqu’il s’agit de la période

pendant laquelle les conditions radio se dégradent pour la MS sur la cellule source. Cependant,

cet échange est généralement bref, dans la mesure où il s’effectue sur les interfaces terrestres

du réseau, sur lesquelles la latence et le taux d’erreur sont souvent très faibles. À l’issue de cet

échange, le contrôleur source peut commencer le transfert des données reçues du réseau cœur

vers le contrôleur cible. On parle de data forwarding. Ces données sont stockées en mémoire

par le contrôleur cible, avant l’arrivée de la MS. Ce transfert de données doit veiller à maintenir

le séquencement des paquets tel que reçu du réseau cœur.

la phase d'exécution

Pour l’exécution du handover, le contrôleur source envoie un ordre de bascule à la MS.

Cette commande est typiquement un message RRC (Radio Ressource Control), indiquant à la

MS la cellule cible (fréquence, identifiant…) et des informations sur sa configuration, afin de

permettre un accès rapide et fiable de la MS aux ressources qui lui sont réservées ou qui sont

partagées au sein de la cellule entre les MSs.

Dès la réception de cette commande, la MS procède à la recherche de la cellule cible,

s’il ne reçoit pas déjà son signal de façon simultanée à celui de la cellule source. Si la cellule


36

cible est portée par une fréquence différente, la MS ajuste par exemple la fréquence de son

récepteur pour démoduler le signal sur cette nouvelle fréquence.

Une fois la cellule cible détectée, la MS doit accéder aux ressources radio de la voie

montante afin de transmettre au contrôleur de la station de base cible un message signalant sa

présence et le succès de la bascule radio. Ce message déclenche l’envoi par ce contrôleur d’une

notification au réseau cœur lui indiquant que le chemin de données peut être basculé. À l’issue

de cette bascule du flux de données, celles-ci ne transitent alors plus par le contrôleur source,

mais sont acheminées directement du réseau cœur au contrôleur cible.

Dans le cas d’un handover inter-RAT, la bascule radio est gouvernée par une

temporisation déclenchée par l’UE à la réception de la commande de handover : si cette

temporisation s’écoule avant que la MS n’ait pu accéder à la nouvelle cellule, la procédure

échoue et la MS retourne sur la cellule d’origine.

Figure 3.2 : Les différentes phases du HO


37

3.7. Les types de handover

Hard Handover

Consiste à libérer l’ancienne connexion avant qu’une nouvelle connexion radio entre le

mobile et le réseau soit établie pour cela, quand le mobile passe dans une nouvelle cellule, il

provoque la rupture de l’ancienne connexion avant qu’une nouvelle connexion utilisant une

autre fréquence soit établie dans la cellule visitée (Break-Before-Make). Ce type de handover a

un impact très fort sur les applications (les sessions ouvertes seront interrompues).

Figure 3.3 : Hard handover [27].

Soft Handover

Dans ce cas, le mobile est multi-domicilié, c'est-à-dire admettant deux ou plusieurs

connexions par les quelles il est capable de communiquer simultanément avec plusieurs

points d’attachements, ce qui lui permet d’exécuter un handover avec l’une de ses interfaces

sans interrompre les communications sur l’interface active (Make-Before-Break).

Figure 3.4 : Soft handover [27].


38

3.8. Gestion des handovers dans différentes technologies

3.8.1. Handover avec la norme GSM

La procédure de Handover dans un réseau GSM est appelée Mobile Assisted Handover

(MAHO). Elle est de type Hard Handover car le nœud mobile coupe la connexion avec sa

station BTS avant de se connecter à la prochaine station BTS (Brake-Before-Make). Il existe

trois types de Handover en GSM [30]:

Intra-BTS Handover

Dans ce premier mode, il s’agit d’un cas de Handover à l’intérieur de la même cellule.

Le nœud mobile ne change pas de BTS, il change juste le canal de fréquence sur lequel il est

attaché. La cause peut être l’interférence ou le brouillage des canaux.

Inter-BTS Handover

Dans ce deuxième mode, un nœud mobile sort du rayon de couverture de la cellule

courante. Deux cas se présentent :

Soit le nœud mobile change de BTS tout en restant dans le même BSC et dans ce cas,

c’est ce dernier qui gère le Handover

Soit le nœud mobile passe d’une BTS gérée par un premier BSC à une autre BTS gérée

par un autre BSC et dans ce cas، le MSC (Metwork Swicthing Center) gère le Handover et

finalement

Inter-MSCHandover

Le troisième mode de Handover aura lieu quand un nœud mobile change de réseau.

Les deux MSC qui sont concernés pour la gestion des cellules en questions (cellule courante et

cellule destination) négocient ce cas de Handover.

3.8.2. Handover avec UMTS

Il existe trois types de Handover avec UMTS : [31]


39

Hard Handover

Selon le premier type (Hard Handover), le réseau décide d’un besoin de Handover en se

basant sur la puissance du signal. Le Handover sera du type Break-Before-Make, le mobile

coupe ses liens avec la BTS à laquelle il est attaché pour établir ensuite un nouveau lien avec

un nouveau Node B

Soft Handover

Dans le cas du soft Handover, le mobile se trouve dans une zone chevauchante entre

deux stations de base. La communication avec le mobile se fait selon deux canaux, un pour

chacune des deux stations de base.

3.8.3. Handover inter système

La configuration des mesures inter systèmes et des intervalles de mesure éventuels est

décidée par la station de base , le plus souvent sur un critère de niveau de signal, lorsque la

station mobile n’a plus dans son voisinage de cellule de même type suffisamment bonne pour

y basculer , le niveau du signal radio reçu par le MS sur la cellule serveuse peut continuer à se

dégrader sans que la station mobile puisse déclencher de handover intra-bts, jusqu’à la rupture

du lien. Un événement déclenchant la configuration de mesures inter systèmes c’est-à-dire un

nouveau canal est attribué dans un autre réseau mobile que celui qui est en charge de la MS

(exemple entre un réseau GSM et un réseau UMTS).

3.8.4. Handover avec WiMAX

Le standard IEEE 802.16e (WiMAX mobile) implémente deux types des mécanismes

de Handover de niveau 2 utilisés par le standard IEEE 802.16e : Hard Handover et Soft

Handover (MDHO et FBSS) .

3.8.4.1. Hard Handover IEEE 802.16e

Le mécanisme du Hard Handover est appliqué généralement dans le cas d’une mobilité

relativement lente ou moyenne. Durant le Handover, ce mécanisme oblige la station mobile à

interrompre la connexion avec l’ancienne station de base avant d’établir la connexion avec la

nouvelle station de base (mécanisme Break-Before-Make). Dans ce cas, le mobile ne peut


40

communiquer qu’avec une seule station de base au cours d’une communication. Ce mécanisme

est bénéfique du point de vue de l’allocation des ressources, mais en cas d’échange du trafic

temps-réel de volume important, ou dans le cas du déplacement du mobile avec une vitesse

importante, ce mécanisme provoque une interruption de service au cours du Handover, ce qui

n’est pas bon pour du trafic temps-réel. Le fonctionnement du mécanisme Hard Handover est

illustré dans la figure ci-dessous [32] :

Figure 3.5 : Fonctionnement du Hard Handover

Au début, la MS échange ses données avec la BS1 (ancienne BS), et en même temps

elle scrute le réseau pour la détection des nouveaux signaux des BSs voisines.

Quand elle détecte un signal d’une BS supérieur à celui de son ancienne BS, la MS passe

à la procédure de la décision du Handover : elle informe son ancienne BS de sa décision, et

cette dernière contacte la BS cible pour lui transmettre la demande de la MS. Si tout se passe


41

bien, la BS cible va accepter la demande, ensuite la BS1 enverra une notification d’acceptation

à la MS. La MS commencera alors la procédure de Handover en alertant l’ancienne BS. La MS

va interrompre la connexion avec la BS1, et commencer une procédure d’échange des messages

avec BS2 pour se connecter définitivement à cette dernière, et échanger ses données avec elle.

La description des messages est présentée ci-dessous :

NBR-ADV : message d’avertissement des voisins.

DL-MAP / UL-MAP : messages de contrôle des liens montants et descendants.

SCAN-REQ / SCAN-RSP : requêtes et réponses du Scan des intervalles d’allocation.

MSHO-REQ : requête de demande de Handover par le mobile.

BSHO-RSP : réponse sur la requête de demande Handover par la BS.

HO-IND : message d’indication de Handover.

DCD / UCD : messages de contrôle sur la description du canal en liens montant/descendant.

RNG-REQ / RNG-RSP : requête et réponse sur la portée.

SBC-REQ / SBC-RSP : requête et réponse sur la capacité de base du mobile.

REG-REQ / REG-RSP : requête et réponse sur l’enregistrement du mobile.

DSA-REQ / DSA-RSP / DSA-ACK : requête, réponse et acquittement sur l’addition du service

dynamique.

3.8.4.2. Soft Handover IEEE 802.16e

Le mobile qui aimerait changer de cellule réseau doit d’abord trouver une cellule de

destination à laquelle il va se connecter avant de couper ses liens avec la cellule courante. Ce

type de Handover est aussi appelé Make-Before-Break. Pendant la connexion/déconnexion, le

mobile communique en même temps avec deux cellules réseaux, ce qui entraine une

consommation des ressources plus importante par rapport au hard Handover. L’avantage de ce

type de Handover est que la perte de paquets est minimisée car il se connecte sur le réseau

destination avant de couper la connexion avec le réseau courant. Cet avantage rend le Handover


42

valable pour les cas des mobiles se déplaçant à haute vitesse. Le WiMAX implémente cette

procédure de Handover selon deux techniques: Macro Diversity Handover (MDHO) et Fast BS

Switching (FBSS).

Le Soft Handover est appliqué dans le cas d’une mobilité importante. Il propose deux

techniques : le MDHO et le FBSS.

3.8.4.2.1. MDHO

Durant le Handover, le MDHO (Macro Diversity Handover) permet à la MS de se

connecter aux stations de base voisines appartenant à une liste de BSs (Diversity Set) maintenue

par la MS avant d’interrompre la connexion avec l’ancienne station de base (mécanisme Make-

Before-Break). Dans ce cas le mobile communique avec plusieurs stations de base en même

temps. Contrairement au Hard Handover, ce mécanisme utilise beaucoup de ressources radio

vu qu’il se connecte à plusieurs BSs en même temps, mais il permet d’éviter l’interruption du

service au cours du Handover. Une illustration du mécanisme MDHO est présentée dans la

figure ci-dessous [32] :

Figure 3.6 : Fonctionnement du MDHO


43

Au début, comme avec le mécanisme Hard Handover, la MS communique ses données

avec la BS1, et scrute en même temps le réseau à la recherche de nouveaux signaux. La

différence à ce stade avec le Hard Handover, est que quand la MS détecte un signal de BS

supérieur à un seuil déjà fixé (H-Add), elle ajoute cette BS à la liste des BSs candidats (Diversity

Set). Ensuite, quand elle détecte un signal d’une BS qui est déjà dans sa liste de candidates avec

une puissance supérieure à celle de son ancienne BS, elle décide de faire le Handover avec la

nouvelle (BS2). L’accord sera accompli comme en Hard Handover, sauf que quand la MS

recevra une notification de l’acceptation du Handover par la BS2, elle ne se déconnectera pas

de l’ancienne BS. La MS poursuivra donc sa connexion avec la BS1, et se connectera aussi

avec la BS2. Elle communiquera alors ses données avec les deux BSs en même temps. Par la

suite, si le signal d’une BS avec laquelle elle est connectée devient inférieur à un autre seuil

fixé (H-Delete) ; une temporisation sera déclenchée (Drop-Timer). Si elle expire et que le signal

de la BS reste inférieur au seuil, la MS se déconnectera de cette BS, et poursuivra sa

communication avec l’autre BS.

3.8.4.2.2.FBSS

Le FBSS (Fast Base Station Switching) est très proche du MDHO dans son principe

(Make-Before-Break). Il ajoute une technique qui se résume dans le fait que le mobile peut

choisir parmi les BSs avec lesquelles il est connecté une seule qui sera appelée BS ancre

(Anchor BS). Il va échanger avec cette BS ancre tous ses données ainsi que les messages de

signalisation. La MS aura le droit de changer de BS ancre quand elle le voudra, à condition

qu’elle choisisse une nouvelle BS ancre parmi la liste des BSs appartenant à son Diversity Set

avec lesquelles elle est connectée. Généralement, la MS change de BS ancre quand cette

dernière n’est plus disponible en nombre de connexions ou en ressources, ou bien encore quand

le signal d’une autre BS candidate deviendra meilleur que celui de sa BS Ancre courante. Le

mécanisme de FBSS est illustré ci-dessous :


44

Figure 3.7 : Fonctionnement du FBSS

Jusqu’à l’étape où la MS se connecte avec la nouvelle BS, le déroulement est identique

à celui du MDHO. Ensuite, la MS choisit par exemple la nouvelle BS (BS2) comme BS ancre

et échange ses données avec elle seule, tout en restant connectée avec l’ancienne BS (BS1) mais

sans échange de données avec cette dernière. Si par exemple après un certain temps, la MS se

re-déplace dans la direction de l’ancienne BS, et que le signal de cette dernière redevient

meilleur que celui de la nouvelle BS, la MS peut re-choisir l’ancienne BS comme BS ancre. La

procédure de déconnexion est semblable à celle de MDHO.

Discussion

En général, le Handover de niveau 2 s’applique dans le cas où la station mobile change

de services de la station émettrice (BS dans le cas de WiMAX) qui gère sa cellule courante à

une autre qui gère une deuxième cellule chevauchée avec la première. La condition nécessaire

au cours du Handover de niveau 2 est que les deux stations émettrices sont gérées par une même


45

passerelle qui les lie avec le réseau cœur IP. Et dans ce cas on dit que les stations émettrices

appartiennent au même domaine, sachant que la station mobile ne nécessite pas une mise à jour

de son adresse IP courante.

Le Hard Handover est un protocole de niveau 2 très connu et très employé par les

opérateurs. Son seul inconvénient c’est qu’il oblige la station mobile de rompre la connexion

avec l’ancienne station émettrice avant de se connecter avec la nouvelle, et cela génère un délai

important et des pertes de paquets qui ne sont pas acceptables par le trafic temps-réel. Son grand

avantage est qu’il n’est pas du tout gourmant en ressource vu que la station mobile n’a le droit

de se connecter qu’avec une seule station émettrice à la fois.

Le Soft Handover, peu employé par les opérateurs vu qu’il consomme beaucoup de

ressources, surtout avec le protocole MDHO qui autorise à la station mobile de communiquer

avec toutes les stations émettrices au même temps. Le grand avantage du Soft Handover c’est

la continuité de la communication sans interruption au cours du Handover de niveau 2 par un

utilisateur, ce qui permet de répondre aux exigences de trafics temps-réel. Mais l’utilisation du

Soft Handover doit être soumise à des conditions de disponibilité des ressources.

Le FBSS qui est plus récent que le MDHO, utilise moins de ressources que le MDHO,

et cela grâce à la technique qu’il emploie, et qui permet de communiquer avec une seule station

émettrice élue tout en restant connecté avec les stations émettrices voisines. En général le FBSS

est très efficace dans le cas de mobilité à grande vitesse avec échange de trafic temps-réel

sensible au délai.

Le Handover de niveau 3 ou plus est relatif à la phase de changement de services

d’une station émettrice (BS dans le cas de WiMAX) à une autre voisine par une station

mobile. Deux cas sont possibles dans ce type de Handover : le premier est que les deux

stations émettrices appartiennent au même réseau, mais chacune d’elles est gérée par une

passerelle appart qui fait le lien avec le réseau cœur IP, donc on dit que les stations émettrices

appartiennent à des domaines différents. Le deuxième cas est que chacune des deux stations

émettrices appartient à un réseau différent carrément. Dans les deux cas, une mise à jour de

l’adresse IP courante de la station mobile est nécessaire.

Le protocole MIP est l’un des plus anciens protocoles de mobilité de niveau 3, il

permet à la station mobile après son Handover, de continuer sa communication avec son

correspondant suivant une route triangulaire qui intègre l’agent mère de son réseau

d’attachement. Ce mode de communication génère des délais très lourds et pas du tout

acceptables par le trafic temps réel. De plus, l’embarquement de ce protocole au niveau de la

station mobile présente beaucoup de complexités de fonctionnement.


46

Le protocole MIPv6 propose des options supplémentaires par rapport à MIP pour

éviter l’échange triangulaire avec l’agent mère, ce qui diminue considérablement le délai au

cours du Handover. Le seul inconvénient de ce protocole c’est qu’il s’appuie sur l’IPv6 qui

n’est pas encore déployé en grande échelle.

3.9. Conclusion

Ce chapitre présente le fonctionnement du Handover, tout en explicitant ses fonctions

de base et les phases qui le comportent .

Chapitre IV Simulation

47


4.1. Introduction

Nous venons de détailler dans le chapitre précédent le Handover de niveau 2, qui

s’applique dans le cas où la station mobile change de services de la station émettrice (BS dans

le cas de WiMAX) qui gère sa cellule courante à une autre qui gère une deuxième cellule

chevauchée avec la première. Le présent chapitre est dédié à la validation par simulation de

notre contribution. En effet, nous décrivons dans un premier temps les outils logiciels utilisés

lors de l'implémentation, puis nous observons le mécanisme de handover de prêt.

4.2. Présentation du logiciel Matlab

MATLAB (MATrix LABoratory) est un langage de développement informatique

particulièrement dédié aux applications scientifiques. Conçu à la base pour développer des

solutions nécessitant une très grande puissance de calcul et de visualisation de données,

MATLAB est devenu aujourd’hui un langage de programmation complet dans un

environnement de développement simple, puissant et multiplateforme , C'est pourquoi il nous

parait comme un outil adéquat pour notre simulation .

4.3. Environnement de simulation

La simulation est faite sur une surface sans obstacles, nous supposons que :

Le nombre de station de base WiMAX 9

Distance entre deux stations de base 50 km

Zone de couverture 30 Km

Puissance signal émis 20 w (43 dBm)

Tableau 4.1 données utilisées


48

La figure 4.1 représente les coordonnés du déploiement des stations de base que nous

avons mis en place pour l’étude du Handover. Nous avons placé 9 BTS et la distance entre

chaque station est de 50 km.

Figure 4.1 : coordonnés des BTS

Quant à la figure 4.2, elle représente la zone de couverture de chaque station de base,

les cercles en bleu représentent les zones couvertes, et les blanches représentent les zones non

couvertes.

Figue 4.2 : les zones de couverture

Figue 4.2 : positions des bts


49

Les figures 4.3 et 4.4 représentent les différentes positions du mobile en mouvement

avec lesquels on évalue les puissances du signal reçu, détecter la zone couverte et à quelle BTS

le mobile est connecté, pour cela nous avons placé un mobile qui se déplace suivant cette

trajectoire dont les coordonnées sont :

Figure 4.3 : coordonnées du mobile

Figue 4.4 : positions du mobile en mouvement

4.4.Méthodologie et métrique d’évaluation

Pour l’évaluation de ce mécanisme, un seul paramètre de QoS est pris en compte qui est

le délai du handover, la valeur du paramètre du temps d’exécution (entre 10 et 100 ms). Les

résultats ici présents sont la collecte des puissances du signal généré par chacune des stations

de bases, et le signal reçu dans chaque position du mobile en mouvement, ainsi que les messages

échangés dans les différentes phases du handover.


50

4.5. Simulation

Afin de pouvoir simuler le handover, le programme est composé de deux parties qui

vont nous permettre de réaliser notre étude.

4.5.1. Handover entre les BTS (MACRO – MACRO)

Cette partie nous permet de suivre la trajectoire du mobile afin de collecter les

paramètres nécessaire pour notre simulation, pour cela on décompose le programme en

plusieurs phases.

4.5.1.1.La Phase de détection

Localiser le mobile est un élément indispensable pour l’étude du handover, pour y

arriver nous calculant la distance entre le mobile et les BTS en utilisant le théorème de

Pythagore, et pour pouvoir détecter à qu’elle BTS est-il connecté.

4.5.1.2.La phase calcul de puissance

RSSI (Received signal strength Indication)

RSSI est une mesure de la puissance d’un signal reçu d’une antenne par un équipement.

Son utilité est d’indiquer la densité de puissance du signal a la réception .La valeur de RSSI est

arbitraire, elle dépend de la configuration au niveau du dispositif émetteur qui affecte

directement la puissance de réception au niveau du dispositif récepteur. Le fait que la mesure

RSSI dépend de la distance, elle peut être exploité pour estimer la distance séparent un point

d’accès émetteur et un mobile récepteur [34].En utilisant le model de propagation ‘log-

distance’, la puissance reçu Pr(d) est donnée par :

Pr(d)= Pr(d) – 10 * n * Log10 (d/d0)

Où :

d : La distance qui sépare le point d’accès du mobile.

d0 : La distance fixe choisis généralement d’une valeur de 1.


51

n : L’exposant d’affaiblissement qui varie en fonction de l’environnement calculé de

manière expérimentale.

Sur la figure 4.5 Nous avons calculé la puissance du signal généré par chacune des

stations de base en fonction de la distance.

Figure 4.5 : mesure de RSSI en fonction de la distance

La collecte des RSSI dans les points de référence se fait en positionnant un mobile

dans un environnement qui nous permet de récupérer la puissance d'un signal RSSI émit de

chaque station de base, la figure 4.6 représente la puissance du signal reçu dans certaines

position du mobile.

Figure 4.6: puissance du signal reçu par le mobile


52

Collecte des RSSI

Le tableau ci-dessous indique la puissance du signal reçu dans chacune des positions du

mobile et indique la station de base à laquelle il est connecté.

Coordonnées du mobile Puissance RSSI Coordonnées de la BTS

(1 ; 1) -20.0103 db Connecté a bts 1 : (0 ; 0)

(5 ; 5) -33.9897 db Connecté a bts 1 : (0 ; 0)

(10 ; 10) -40.0103 db Connecté a bts 1 : (0 ; 0)

(15 ; 5) -40.9794 db Connecté a bts 1 : (0 ; 0)

(25 ; 0) -44.9588 db Connecté a bts 1 et 4 : (50 ; 0)

(27 ; 3) 15.6922 db Connecté a bts 4 : (50 ; 0)

(30 ; 5) -43.2839 db Connecté a bts 4 : (50 ; 0)

(40 ; 0) -37 db Connecté a bts 4 : (50 ; 0)

(50 ; 1) -17 db Connecté a bts 4 : (50 ; 0)

(60 ; 10) -40.0103 db Connecté a bts 4 : (50 ; 0)

(75 ; 25) Hors de la zone de couverture

Tableau 4.2 : moyennes des RSSI reçues

La phase application

Après avoir comparé entre les puissances reçues, à un moment donné le

mécanisme du handover se déclenche suivant l’organigramme si dessous :


53

Figure 4.7 : Organigramme du Handover entre les BTS (macro-macro)

A partir des valeurs collectées précédemment sur la puissance du signal reçu sur le

mobile nous avons simulé le handover (transfert inter cellulaire), Pour cela, nous nous somme

intéressé sur trois positions du mobile.

Coordonnées du mobile Puissance RSSI Coordonnées de la BTS

(25 ; 0) -44.9588 db Connecté a bts 1 : (0 ; 0)

(27 ; 3) -45.6922 db Connecté a bts 1 et 4 : (50 ; 0)

(30 ; 5) -43.2839 db Connecté a bts 4 : (50 ; 0)

Tableau 4.3 : positions du mobile pendant le handover

La figure 4.8 montre la zone où ce fait le transfert intercellulaire (avant, pendant et

après le handover).


54

Figure 4.8 : intersection des zones de couverture

La figue 4.8 représente la phase de mesure du handover, c’est là où ce fait le choix de

la cellule cible par la cellule de base source indiquant les messages échangés entre la MS et la

BTS1.

Figure 4.9 : phase de mesure

La figue 4.9 représente la phase de préparation du handover, la cellule cible est prête

à accueillir le mobile


55

Figure 4.10 : phase de préparation

La figure 4.10 représente la phase d’exécution du handover, la connexion du mobile à

la cellule cible ainsi que les messages échangés durant cette phase, on observe aussi que le

temps d’exécution des trois phases est 61 ms qui représente le temps de coupure de la

communication.

Figure 4.11 : phase d’exécution

Discussion


56

Quand le mobile reçoit le message d’avertissement des voisins (MS<--NBR-ADV--

BTS1) et les coordonnées de la cellule voisine, le mobile détecte un signal meilleur et se prépare

à changer de BTS, le mobile demande le handover a sa BTS1 mère en envoyant une requête

(MS----MSHO-REQ------>BTS1) , la BTS1 informe la BTS2 voisine du handover (BTS1----

HO-NOTIFICATION------>BTS2) et répond à la requête de demande de handover du mobile

(MS<----BSHO-RSP------BTS1) ,après l’acquittement le mobile se déconnecte de la BTS1 .

Le mobile envoie des requêtes sur la portée et la capacité de base à la BTS2 cible, et

demande de s’enregistrer auprès de la BTS2 après avoir reçu des acquittements sur ces requêtes,

la BTS2 lui attribue une adresse IP temporaire et s’enregistre auprès de cette cellule.

4.5.2. Handover entre BTS (Macro – Micro)

Dans ce qui suit nous allons simuler le handover entre deux cellules (macro – micro),

nous avons rajouté une micro BTS dans une zone non couverte de notre environnement

Caractéristiques de la micro BTS :

Coordonnées : [25 ; 25]

Zone de couverture : 7 km

Puissance signal émis : 1w (30 dBm)

Coordonnées du mobile : [1 5 10 14 16 18 20 21 24 ; 1 5 10 14 16 18 20.1 21.4 24]

La figure 4.11 représente l’environnement de notre deuxième partie de la simulation,

les cercles verts représentent la zone de couverture de la micro BTS, les points noirs

représentent le mobile qui se déplace suivant une trajectoire donnée.


57

Figure 4.12: handover entre macro – micro

La figure 4.12 représente la puissance du signal reçue des deux stations de base par le

mobile, les points en bleu représentent le signal reçu dans la macro cellule, en rouge le signal

reçu dans la micro cellule.

Figure 4.13 : puissance du signal reçu du mobile

Après avoir refait les paramètres cités précédemment (calcul des puissances reçues et

les distances) le mécanisme du handover se déclenche suivant l’organigramme si dessous :


58

Figure 4.14 : organigramme de handover Macro – Micro

Résultats de la simulation

La figue 4.14 représente la phase de mesure du handover, c’est là où ce fait le choix

de la cellule cible par la cellule de base source. Prd1 représente le signal reçu de la macro

cellule et Prd2 le signal de la micro cellule.

Figure 4.15 : Phase de mesure


59

La figue 4.15 représente la phase de préparation du handover, la cellule cible est

prête à accueillir le mobile.

Figure 4.16 : Phase de préparation

La figure 4.16 représente la phase d’exécution du handover, le mobile fait le handover

et se connecte à la micro cellule cible.

Figure 4.17: Phase d’exécution


60

4.6. Conclusion

Au cours de ce chapitre, l’étude que nous avons menée se caractérise essentiellement

par l’utilisation d’un simulateur (MATLAB) pour l’implémentation du handover dans les

réseaux cellulaires.

Conclusion générale

61

Conclusion générale

Le handover est l’une des principales procédures clé des réseaux mobiles radio-

cellulaires pour veiller à ce que les utilisateurs se déplacent librement à travers le réseau tout en

maintenant la connectivité et l’accès continue au service , comme le taux de réussite du

handover est un indicateur clé de la performance du réseau , il est essentiel que cette procédure

se passe aussi vite et aussi efficacement que possible .

Ce projet était l’occasion pour nous, pour découvrir un nouveau monde de recherche et

de développement qui se base sur des nouvelles technologies de communication et qui est

applicable dans divers secteurs.

D’autre part, ce projet nous a permis d’améliorer nos connaissances sur la manipulation

des signaux 4G par MATLB, de voir de près le mécanisme du handover, et aussi d’étudier les

diffèrent protocoles de mobilité dans les réseaux cellulaires qui font l’objet des études et des

travaux à l’échelle internationale dans le domaine de la télécommunication

Le choix d'une technologie sans fil dépend de l'usage que l'on souhaite en faire. Le

WiMAX est l’une de ces nouvelles technologies. Elle est fondée sur le standard IEEE 802.16,

et porte beaucoup de promesses pour l’avenir.

Cette technologie, dans sa version mobile, ou encore le IEEE 802.16e, permet d’assurer

la mobilité des utilisateurs. Pour maintenir la connexion au cours de leurs déplacements, le

processus de Handover joue un rôle très important.

La 4eme génération vise à améliorer l’efficacité spectrale et à augmenter la capacité de

gestion du nombre de mobiles dans une même cellule. Elle tente aussi d’offrir des débits élevés

en situation de mobilité et à offrir une mobilité totale à l’utilisateur en établissant

l’interopérabilité entre différentes technologies existantes. Elle vise à rendre le passage entre

les réseaux transparent pour l’utilisateur, à éviter l’interruption des services durant le transfert

intercellulaire, et à basculer l’utilisation vers le tout-IP.

En guise de perspectives, nous envisageons de :

- Prendre en considération les obstacles susceptibles d’être présent dans la zone de

couverture.

- Proposer un algorithme qui prédit la prochaine destination du mobile.

- Penser à intégrer un système qui permet de générer une trajectoire aléatoire

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Bibliographie

Résumé

La téléphonie cellulaire est un système de communication sans support matériel ayant

pour but d’assurer la communication entre les abonnés mobiles.

L’objectif du présent travail consiste à étudier et analyser la mobilité d’un réseau

cellulaire. L´étude réalisée a nécessitée l’implémentation des mécanismes de handover et de la

mobilité afin de garantir la continuité de service lorsque le mobile se déplace entre les cellules

c’est-`a-dire changer de point d’attachement d’une manière transparente.

Mots clés : Réseaux cellulaires, Mobilité, Handover.

ABSTRACT

Cellular telephony is a communication system without hardware support intended to

ensure communication between mobile subscribers.

The objective of this work is to study and analyze the mobility of a cellular network.

The study carried out necessitated the implementation of handover and mobility mechanisms

in order to guarantee the continuity of service when the mobile moves between the cells, that

is to say to change the point of attachment in a certain way. transparent..

Keywords : Cellular networks, mobility, Handover.

Documents

Chapitre II Généralités sur les réseaux cellulaires