Fiche de révision : Antennes et télécommunications radio

📋 Plan du Cours

1. Ondes radio et émission des antennes
2. Réception et types d’antennes
3. Bilan et propagation des liaisons radio
4. Orbits et liaisons satellitaires
5. Téléphonie en mode circuit
6. Téléphonie sur IP
7. Évolution des générations mobiles
8. Réseaux cellulaires et architecture mobile
9. Registre des équipements et cartographie
10. États de la liaison radio
11. Authentification et chiffrement radio
12. Canaux et ressources radio
13. Itinérance et établissement des connexions
14. Mobilité radio et gestion des interférences
15. Mobilité et routage IP

📖 1. Ondes radio et émission des antennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Antenne : Équipement constitué de conducteurs capable d’émettre une puissance sous forme de rayonnement électromagnétique ou de capter ce rayonnement pour recevoir une puissance.
• Antenne isotrope : Antenne qui émet ou reçoit dans toutes les directions et répartit équitablement la puissance d’émission dans l’espace.
• Gain d’antenne : Rapport entre le rayonnement émis dans une direction donnée par une antenne directive et celui d’une antenne isotrope.

📝 Points essentiels

📌 Une liaison radio évite les coûts de câblage et permet la mobilité, mais la ressource radio partagée exige une planification des fréquences ou un partage des débits, et une sécurisation des transmissions.

• Une onde radio est un couple de champs électrique et magnétique variables et orthogonaux qui se propage dans le vide ou dans l’air à la vitesse $c = 300\,000\ \text{km/s}$.

• Les fréquences citées pour les services radio sont : la téléphonie cellulaire autour de 700, 800, 900, 1 800, 2 100, 2 600 et 3 500 MHz, le Wi-Fi à 2,4 et 5 GHz, la radio FM de 88 à 108 MHz, le DAB+ de 174 à 240 MHz, la télévision par satellite de 10 à 16 GHz, la TNT de 400 à 800 MHz, le GPS à 1,2 et 1,6 GHz, le Bluetooth et les fours à micro-ondes à 2,4 GHz

📌 Par le principe de réciprocité, les caractéristiques d’une antenne à l’émission, notamment sa directivité, son impédance et sa polarisation, sont généralement les mêmes qu’à la réception.

📖 2. Réception et types d’antennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Surface effective : Surface de rayonnement électromagnétique captée par une antenne réceptrice ; elle dépend de son orientation, de sa constitution et de sa taille.
• Antenne de grande surface : Antenne, telle qu’une antenne parabolique ou patch, dont la surface effective est grande devant la longueur d’onde.
• Antenne résonnante : Antenne demi-onde de longueur λ/2, à impédance réelle, de sorte que sa tension et son courant sont en phase.
• Antenne Yagi : Une antenne Yagi associe une antenne demi-onde, ou demi-onde repliée, connectée au récepteur à des antennes passives non connectées qui captent et réémettent le rayonnement avec un déphasage dépendant de leur dimension.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Pour une antenne de grande surface, la surface effective vérifie $S_e = r \cdot S$, où $S$ est la surface apparente de l’antenne et $r$ un coefficient de rendement sans unité.

• Pour une antenne de grande surface, la surface effective est égale au produit du coefficient de rendement r par la surface apparente S de l’antenne ou de son réflecteur.

📖 3. Bilan et propagation des liaisons radio

🔑 Notions clés & Définitions

• Affaiblissement de liaison : Rapport entre la puissance émise et la puissance reçue, généralement exprimé en décibels.

• Faisceau hertzien : Liaison point à point entre deux antennes directives.

📝 Points essentiels

• L’affaiblissement en espace libre entre deux antennes isotropes dépend du rapport entre leur distance l et la longueur d’onde λ.

📐 Formule - Dans le modèle de rayon terrestre fictif R = 8500 km, la hauteur nécessaire pour tenir compte de la courbure terrestre vérifie $h\approx\frac{l^2}{8R}$, où l est la distance entre les deux antennes.

• Un obstacle situé sur le premier ellipsoïde de Fresnel réfléchit vers l’antenne réceptrice un rayon déphasé d’une demi-longueur d’onde par rapport au rayon direct, donc en opposition de phase.

💡 Astuce mémo

Obstacle dans l’ellipsoïde de Fresnel → rayon réfléchi en opposition de phase → affaiblissement

📖 4. Orbits et liaisons satellitaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbite basse : Une orbite basse se situe à moins de 2000 km d’altitude ; les satellites qui l’empruntent sont proches, moins coûteux à mettre en orbite et survolent de grandes étendues terrestres en se déplaçant.

📝 Points essentiels

• Un transpondeur satellitaire reçoit et amplifie le signal montant, en change la fréquence, puis émet le signal descendant.

• À l’équilibre entre attraction terrestre et force centrifuge, la vitesse angulaire d’un satellite ne dépend pas de sa masse.

• Un satellite géostationnaire a une période de 24 h, soit 86 400 s, et se trouve à environ 36 000 km d’altitude.

💡 Astuce mémo

Géostationnaire : fixe mais lointain ; orbite basse : proche mais mobile

📖 5. Téléphonie en mode circuit

🔑 Notions clés & Définitions

• Circuit téléphonique : Un circuit téléphonique est une liaison établie entre les échantillons de voix des deux téléphones pendant toute la durée de la communication ; une fois établie, la voix est acheminée sans protocole, comme si les téléphones étaient reliés par des fils.

📝 Points essentiels

• Le mode circuit est le mode historique de téléphonie fixe et des téléphones mobiles 2G et 3G, et il est pratiquement abandonné aujourd’hui.

• La commutation automatique a remplacé les opératrices par des commutateurs commandés au moyen d’un protocole de signalisation téléphonique.

💡 Astuce mémo

Opératrice → cadran rotatif → DTMF → commutateurs automatiques

📖 6. Téléphonie sur IP

📝 Points essentiels

• Les téléphones 4G ou 5G utilisent le réseau de données IP pour les appels, comme une box fibre, et VoWifi applique le même principe sur le Wi-Fi.

• SIP est le protocole le plus utilisé pour la signalisation téléphonique sur IP et fonctionne sur TCP, avec les ports 5060 pour SIP et 5061 pour SIPS.

• Les échantillons de voix ou de vidéo circulent dans des paquets RTP, protocole basé sur UDP.

• Dans une architecture SIP, le registrar enregistre les téléphones authentifiés en associant leur numéro ou identifiant à leur adresse IP attribuée dynamiquement; le proxy SIP consulte ces informations pour transmettre la demande d’appel au téléphone appelé et communiquer son adresse IP au téléphone appelant.

📖 7. Évolution des générations mobiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Hand over : Continuité de la communication lorsqu’un mobile passe d’une cellule à une autre.

📝 Points essentiels

• La téléphonie 1G des années 1980 est analogique et non chiffrée, utilise des fréquences autour de 450 MHz en modulation de fréquence ou de phase, et attribue une fréquence à chaque communication.

• Le cahier des charges du GSM vise : un système numérique, une qualité vocale comparable au téléphone fixe, des services de téléphonie numérique et les SMS, l’authentification et le chiffrement, un prix public raisonnable, une taille de mobile raisonnable et une autonomie suffisante

• La téléphonie 3G (UMTS) des années 2000 fournit des débits de plusieurs Mbit/s, conserve la voix en mode circuit et authentifie les relais radio pour limiter les attaques par IMSI catcher.

• La 4G (LTE), apparue dans les années 2010, est tout IP pour les données, la téléphonie et les SMS, avec des débits théoriques pouvant atteindre 1 Gbit/s.

• La 5G augmente les débits jusqu’à plusieurs dizaines de Gbit/s et certains services réduisent la latence pour permettre le contrôle d’appareils en temps réel.

• Les trois types d’utilisation de la 5G sont le MBB (haut débit mobile), le CC&URLLC (communications fiables à faible latence) et le mIoT (communications à faible débit, faible consommation et grand nombre de mobiles).

💡 Astuce mémo

1G analogique, 2G numérique, 3G voix à circuit, 4G tout IP, 5G services spécialisés

📖 8. Réseaux cellulaires et architecture mobile

📝 Points essentiels

• Un réseau cellulaire répartit le territoire en cellules desservies par des émetteurs-récepteurs de portée limitée.

📌 Les grandes cellules utilisent généralement des fréquences plus basses, moins atténuées par les obstacles, tandis que les petites cellules utilisent des fréquences plus élevées.

📌 Les cellules voisines utilisent des fréquences différentes afin de limiter les interférences.

• Chaque station mobile, comme un téléphone ou un objet connecté, possède un chipset lui permettant de dialoguer avec plusieurs générations de réseau et est identifiée par un IMEI.

• La carte SIM contient notamment le MCC (pays), le MNC (opérateur), l’IMSI et éventuellement le TMSI (identifiant de l’abonné et identifiant temporaire), ainsi que la clé d’identification Ki.

• Un relais radio est un émetteur-récepteur situé près d’une antenne; il est appelé BTS en 2G, NodeB en 3G, eNodeB en 4G et gNodeB en 5G.

• La passerelle serveuse S-GW en 4G route les communications des mobiles d’une zone de localisation, appelée LA en 2G, RA en 3G et TA en 4G et 5G; l’identifiant d’une TA est le TAC.

• La passerelle internet P-GW en 4G est un routeur NAT qui relie le réseau mobile privé de l’opérateur à Internet.

• Le registre d’abonnés contient les caractéristiques des abonnés et l’identifiant de leur registre des visiteurs; il est appelé HLR en 2G/3G, HSS en 4G et UDM en 5G.

💡 Astuce mémo

Cellules voisines sur des fréquences différentes → interférences limitées

📖 9. Registre des équipements et cartographie

🔑 Notions clés & Définitions

• EIR : Enregistre l’identification des équipements mobiles et gère leur accès au réseau.

📝 Points essentiels

• L’EIR contient trois listes :
  • liste blanche des mobiles homologués
  • liste noire des mobiles volés ou interdits d’accès
  • liste grise des mobiles présentant des dysfonctionnements insuffisants pour justifier une interdiction totale

📖 10. États de la liaison radio

🔑 Notions clés & Définitions

• RRC Idle : État de veille où le mobile est inscrit dans un registre de visiteurs de sa zone de localisation, sans que le réseau connaisse précisément le relais radio qui peut le joindre.
• RRC Connected : État qui permet au mobile d’échanger des données IP sur un canal radio dédié qui lui est attribué par le réseau ; le trafic est chiffré.
• RRC Inactive : Mode introduit par la 5G-NR qui maintient le mobile en veille tout en permettant au réseau de connaître le relais radio où le joindre et au mobile de conserver un jeton d’authentification.

📝 Points essentiels

📌 En état éteint, le réseau ne sait pas où se trouve le mobile et redirige les appels entrants vers la boîte vocale, tandis qu’en veille le mobile est inscrit dans un registre de visiteurs.

• 🔄 Lors d’un changement de zone de localisation, le mobile : signale le changement au réseau, reçoit un nouveau TMSI, s’inscrit dans le nouveau registre de visiteurs, entraîne la mise à jour du registre des abonnés

💡 Astuce mémo

Idle : le relais précis est inconnu ; Inactive : le réseau sait où joindre le mobile.

📖 11. Authentification et chiffrement radio

🔑 Notions clés & Définitions

• Ki : Clé secrète d’authentification stockée dans la carte SIM et connue du réseau.

📝 Points essentiels

• La liaison radio étant ouverte, la sécurité repose sur l’authentification de l’abonné et le chiffrement des données transmises.

• Pour authentifier le mobile, le réseau envoie un nombre aléatoire RAND en clair, le mobile calcule un hachage SRES à partir de Ki et RAND, puis le réseau compare ce résultat à son propre calcul de SRES.

• Le mobile et le réseau calculent des clés de chiffrement à partir de Ki et RAND ; ces clés ne sont jamais transmises sur le réseau.

💡 Astuce mémo

RAND → calcul de SRES → validation ; Ki et RAND servent aussi à calculer les clés de chiffrement.

📖 12. Canaux et ressources radio

🔑 Notions clés & Définitions

• Canaux physiques : Canaux radio utilisés entre le mobile et le relais radio pour diffuser des informations, réserver une communication ou signaler les caractéristiques d’un canal dédié.
• Canaux logiques : Canaux qui répondent aux besoins des applications et aux fonctions de contrôle de la liaison radio, dont certaines exigent un débit faible et le handover un débit plus élevé pendant une courte durée.
• DCCH : Canal (Dedicated Control Channel) qui transporte les messages de contrôle entre le réseau et un mobile donné, en uplink et en downlink.
• DTCH : Canal (Dedicated Traffic Channel) qui transporte les données utilisateur, comme la voix et Internet, entre le réseau et le mobile, dans les deux sens.
• Bearer : Liaison entre le mobile et une passerelle, qui traverse la liaison radio et le réseau filaire de l’opérateur.

📝 Points essentiels

• Le choix des canaux physiques dépend : de l’encombrement du relais radio, des signaux en provenance des cellules voisines, du sens de propagation et du rôle du canal, de la distance entre le mobile et le relais radio

• En 4G, le CCCH assure la signalisation entre le réseau et les mobiles sans connexion établie, en uplink et en downlink ; en uplink, le mobile l’utilise pour demander un canal radio dédié via le RACH.

• Un canal dédié est établi entre un seul mobile et le relais radio ; il évite les collisions et peut être utilisé librement en uplink.

• Les canaux dédiés nécessitent une authentification et sont chiffrés, contrairement aux canaux communs.

💡 Astuce mémo

Canal commun partagé, canal dédié réservé à un mobile

📖 13. Itinérance et établissement des connexions

🔑 Notions clés & Définitions

• Itinérance : Possibilité de se connecter au réseau n’importe où et d’être joignable partout.

📝 Points essentiels

• Pour joindre un mobile, le réseau diffuse un paging, contenant l’IMSI ou le TMSI, dans toutes les cellules de sa zone de localisation.

📌 L’IMSI identifie l’abonné de façon unique au monde et diffère du numéro de téléphone, tandis que le TMSI est unique dans une zone de localisation.

• L’identifiant du mobile est transmis en clair avant l’activation du chiffrement ; après attribution du TMSI, seul cet identifiant temporaire est échangé avec le réseau.

• L’établissement d’une connexion data commence par RRC Connection Request, se poursuit par RRC Connection Setup et RRC Connection Setup Complete, puis un canal radio dédié est affecté au mobile.

• La mise en place de la session IP comprend Attach Accept, les échanges ESM de configuration IP et d’attribution d’adresse, l’établissement d’un bearer vers la passerelle Internet, puis Attach Complete.

💡 Astuce mémo

RRC → attachement → session IP

📖 14. Mobilité radio et gestion des interférences

🔑 Notions clés & Définitions

• Handover : Passage d’une cellule à une autre en cours de communication afin que le mobile maintienne la communication pendant son déplacement.

📝 Points essentiels

• L’évaluation radio prend en compte : le niveau de puissance reçu de la cellule serveuse et des cellules voisines, la qualité du signal estimée à partir des codes détecteurs d’erreur, le Timing Advance, proportionnel à la distance entre le mobile et le relais

📌 Le réseau déclenche le handover lorsque les paramètres radio passent sous un seuil, qu’une cellule voisine offre de meilleures conditions de propagation et qu’elle dispose de canaux physiques disponibles.

• Le contrôle de puissance fait varier plusieurs fois par seconde la puissance d’émission du mobile et du relais pendant la communication, afin de maintenir la qualité avec la puissance la plus faible possible.

• Une interférence est un signal parasite émis à la même fréquence que le signal utile, qui se superpose à celui-ci et le dégrade selon la puissance de l’interféreur.

💡 Astuce mémo

Signal dégradé + meilleure cellule disponible → handover

📖 15. Mobilité et routage IP

📝 Points essentiels

📌 Lorsqu’un mobile se déplace, il peut changer de passerelle serveuse, mais il souhaite conserver sa configuration réseau, notamment son adresse IP.

• Un tunnel GTP (GPRS Tunneling Protocol), identifié par son TEID (Tunnel Endpoint Identifier), relie la passerelle Internet à la passerelle serveuse.

• La passerelle Internet gère l’évolution du tunnel GTP, dont l’extrémité peut suivre le mobile, et utilise une table de routage fixe associant l’adresse du mobile au TEID.

💡 Astuce mémo

Un tunnel GTP relie l’adresse IP stable du mobile à une passerelle qui peut changer