Réseaux Mobiles

Imaginez une grande salle bondée…

Vous êtes dans un cocktail où 100 conversations en français ont lieu en même temps. Impossible de suivre la vôtre — c'est du bruit. C'est exactement ce qui se passe quand plusieurs utilisateurs émettent simultanément sur la même fréquence : leurs signaux se superposent et brouillent tout.

Maintenant, imaginez que chaque conversation se passe dans une langue différente : français, japonais, arabe, swahili, hongrois… Vous ne comprenez que le français — donc votre cerveau filtre automatiquement les autres langues comme du bruit de fond. Vous ne percevez que votre conversation, malgré les 99 autres qui parlent en même temps !

Le CDMA fait exactement ça : chaque utilisateur reçoit une "langue" unique (sa séquence de chips). Tout le monde émet en même temps sur la même fréquence, mais le récepteur ne "comprend" que la séquence qui lui est destinée. Les autres ressemblent statistiquement à du bruit aléatoire.

Plus la "langue" est complexe (plus n est grand), plus elle est distinctive et résistante au brouillage — c'est ce qu'on appellera le gain d'étalement dans le chapitre 3.

Pourquoi appelle-t-on cela "étalement" ?

En traitement du signal, il y a une règle de conservation : plus un signal varie vite dans le temps, plus il occupe une large bande de fréquences. C'est l'incertitude temps-fréquence (similaire au principe de Heisenberg en physique).

Avant étalement, votre bit dure Tb (lent) → il occupe une bande étroite 1/Tb. Après étalement, vous transmettez n petits chips pendant le même Tb → chaque chip dure Tc = Tb/n (très rapide) → le signal occupe désormais une bande n fois plus large (1/Tc = n/Tb).

Pensez à un projecteur de cinéma : si vous focalisez toute la lumière sur un seul point, vous obtenez un point très brillant mais petit. Si vous étalez cette même lumière sur tout l'écran, chaque point est plus faible… mais l'image totale couvre une surface beaucoup plus grande. L'énergie totale est conservée, simplement répartie différemment.

👉 Le signal CDMA étalé a une densité spectrale de puissance très faible — il ressemble presque à du bruit. C'est précisément cette propriété qui rend le CDMA difficile à intercepter (origine militaire !) et résistant aux interférences.

Que signifie "orthogonal" concrètement ?

En géométrie, deux vecteurs sont orthogonaux quand leur produit scalaire vaut 0 — autrement dit, ils ne partagent aucune composante dans une direction commune. Pour des séquences binaires de ±1, c'est pareil : si on les multiplie terme à terme et qu'on additionne, on tombe sur zéro. Les deux séquences sont complètement non-corrélées.

Imaginez quatre musiciens jouant ensemble : un sur les graves seulement, un sur les aigus seulement, un en rythme régulier, un en contre-temps. Leurs "fréquences" musicales sont si différentes qu'aucun ne masque les autres — un auditeur formé pourrait isoler chacun à l'oreille. Mathématiquement, leurs signatures sont orthogonales.

Quand le récepteur reçoit la somme des 4 signaux et la multiplie par la signature d'un seul utilisateur (puis fait la moyenne), tous les autres tombent à zéro par construction. Magie ? Non — c'est simplement parce que la "signature" cherchée résonne avec elle-même mais ignore les autres.

Pourquoi le produit scalaire fait-il "disparaître" les autres ?

Pour chaque chip d'une séquence orthogonale à la vôtre, il y a en moyenne autant de +1 que de −1 qui s'alignent — donc tout s'annule. Pour votre séquence multipliée par elle-même, chaque produit est toujours +1 (car (+1)² = (−1)² = 1) → la somme vaut n. C'est le maximum possible.

👉 Le décodage CDMA n'est rien d'autre qu'un test de corrélation : "à quel point ce signal reçu ressemble-t-il à ma séquence ?". Réponse : exactement n pour la bonne, 0 pour les autres.

Pourquoi plus de chips = meilleure fiabilité (même C/I) ?

Le C/I qu'on mesure à l'antenne est brut — il regarde la puissance instantanée. Mais ce qui détermine si on lit correctement un bit, c'est l'énergie totale qu'on parvient à concentrer sur sa décision : c'est Eb/I₀, et c'est lui qui détermine le taux d'erreur.

Imaginez qu'on vous demande de répondre par OUI ou NON, mais on vous chuchote la question dans une salle bruyante. Si on vous la pose une seule fois, vous risquez de mal entendre. Si on la répète 64 fois, vous combinez toutes les versions, le bruit (qui change à chaque répétition) s'annule en moyenne, et le vrai message ressort clairement. Vous avez gagné en fiabilité sans monter le volume — juste en répétant.

L'étalement CDMA fait exactement ça à l'échelle du bit : un bit ne devient pas plus fort, il est distribué sur 64 chips. Le récepteur "vote" sur les 64 chips et la décision finale est statistiquement meilleure que celle prise sur un seul échantillon.

Le calcul en deux temps

1️⃣ On mesure C/I = −17 dB sur l'antenne. À première vue, c'est désastreux : le bruit est ~50× plus fort que le signal. Aucun récepteur conventionnel ne pourrait démoduler.

2️⃣ Avec n = 256 chips, le gain d'étalement vaut 10·log(256) ≈ 24 dB. Le récepteur effectue une corrélation sur ces 256 chips, ce qui concentre l'énergie du signal tout en moyennant le bruit.

3️⃣ Le résultat utile pour la décision : Eb/I₀ = −17 + 24 = +7 dB. Maintenant le signal est environ 5× plus fort que le bruit moyenné → démodulation possible avec ~10⁻³ d'erreur bit.

C'est comme un microscope pour signaux : le signal C/I à l'antenne est noyé dans le bruit, mais le récepteur "zoome" pendant n chips et révèle l'information. Plus on zoome (plus n est grand), plus on peut voir des signaux faibles — au prix d'une bande passante plus large et d'un débit utile plus faible (puisque transmettre 1 bit prend désormais 256 chips).

👉 C'est la véritable raison militaire du CDMA : on peut transmettre en dessous du niveau de bruit (Low Probability of Intercept). Un ennemi qui ne connaît pas le code voit du bruit. Vous, vous voyez le message.

Premier aperçu du facteur K (on y reviendra en détail au Chapitre 6)

On vient de dire "mêmes fréquences sur toutes les cellules" — mais qu'est-ce que cela signifie concrètement ? Imaginez la carte d'un opérateur : des dizaines de milliers de cellules dans tout le pays. Chacune a besoin de fréquences pour parler à ses mobiles. Mais on n'a que ~25 MHz de spectre.

👉 La solution universelle : réutiliser la même fréquence dans plusieurs cellules, en s'arrangeant pour qu'elles soient suffisamment éloignées pour ne pas interférer.

K est le nombre de cellules qu'on attend avant de réutiliser la même fréquence. Plus K est grand, plus les cellules co-canal sont éloignées (= moins d'interférence, mais on a moins de fréquences disponibles par cellule).

C'est la vraie révolution du CDMA : là où GSM doit "changer de menu" entre quartiers voisins pour ne pas se brouiller, CDMA peut servir "le même menu partout" car chaque mobile parle sa propre langue. Pas besoin de planification fréquentielle — un déploiement énormément plus simple.

📖 Le chapitre 6 expliquera comment K se calcule (formule K = i² + ij + j²), pourquoi seulement certaines valeurs sont possibles (1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 19, …), et comment trouver la distance D entre cellules co-canal.

1. Effet near-far : le voisin bruyant

Tous les mobiles d'une cellule émettent sur la même fréquence en même temps. Si l'un est très près de la BTS (la station de base / antenne — on y reviendra au chapitre 12) et un autre très loin, le proche arrive à la BTS 1000× plus fort que le lointain (l'atténuation va en 1/d⁴ environ).

Imaginez 20 personnes qui parlent en même temps dans une salle. L'orthogonalité des langues marche en théorie… mais si quelqu'un à 1 mètre de vous hurle, et qu'une autre personne au fond de la salle vous chuchote, vous n'entendrez que le hurleur. Sa voix domine tout — votre cerveau ne peut plus filtrer.

En CDMA, ce déséquilibre fait que les corrélations ne sont plus parfaitement nulles : l'utilisateur fort déborde mathématiquement sur le décodage des utilisateurs faibles. C'est l'effet near-far.

Solution : contrôle de puissance très fin et très rapide (1500 fois/seconde en UMTS !). La BTS dit en permanence "baisse, baisse, monte" à chaque mobile pour que tous arrivent au même niveau de puissance, qu'ils soient à 10 m ou à 5 km. Égalité de puissance = orthogonalité préservée.

2. Séquences pseudo-aléatoires sur la voie montante

Sur la voie descendante (BTS → mobiles), tout est facile : la BTS contrôle tout, elle peut envoyer des séquences parfaitement orthogonales (Walsh-Hadamard) à chaque mobile, synchronisées au chip près.

Sur la voie montante (mobiles → BTS), chaque mobile émet de sa propre horloge, à des distances différentes — donc les signaux arrivent à la BTS décalés dans le temps. Or, des codes Walsh ne sont orthogonaux que parfaitement alignés. Décalés, ils deviennent corrélés et se brouillent mutuellement.

C'est comme un canon musical (frère Jacques) : si tout le monde commence en même temps c'est une note unique, mais si chacun démarre à un instant différent, c'est un canon harmonieux… ou une cacophonie. Pour des codes binaires, le moindre décalage casse l'orthogonalité.

Solution : on utilise des séquences pseudo-aléatoires longues (PN — Pseudo-Noise). Ces séquences ont la propriété "magique" d'être presque orthogonales à elles-mêmes pour tout décalage non nul. Elles ressemblent au hasard mais sont déterministes (générées par registres à décalage). Conséquence : la corrélation reste faible même si les mobiles ne sont pas synchronisés au chip près.

3. Interférences entre canaux dans la même cellule

En GSM (FDMA/TDMA), deux utilisateurs de la même cellule sont sur des fréquences ou des slots différents → zéro interférence entre eux. Le problème d'interférence n'existe qu'avec les cellules voisines (d'où le motif K=12).

En CDMA, tous les utilisateurs de la même cellule sont sur la même fréquence en même temps. L'orthogonalité devrait les séparer parfaitement… mais en pratique elle n'est jamais parfaite : multipath (le signal arrive par plusieurs chemins), désalignement temporel, contrôle de puissance imparfait → il reste un résidu d'interférence intra-cellulaire.

Quatre musiciens dans la même pièce jouant différents instruments : en théorie distinguables, mais l'écho des murs, les vibrations du sol et l'imperfection de chaque instrument créent un "bruit ambiant" qui dégrade l'écoute. Plus il y a de musiciens, plus ce résidu monte.

Conséquence pratique : en CDMA, ajouter un utilisateur dégrade la qualité de tous les autres. Le système est dit à capacité douce (soft capacity) : il n'y a pas de limite dure de N utilisateurs, mais à mesure qu'on en ajoute, la qualité baisse pour tout le monde. À l'opposé du GSM où la limite est dure (8 slots, point).

Une seule analogie pour les comprendre toutes : la salle de classe

Quatre enseignants doivent donner cours à quatre groupes d'élèves en même temps, dans la même salle. Comment faire pour qu'aucun ne dérange les autres ?

• FDMA = 4 salles séparées par des murs. Chacun a son espace propre, mais on a besoin de 4 fois plus d'espace.
• TDMA = 1 salle, 4 horaires. Cours 1 de 8h à 9h, cours 2 de 9h à 10h, etc. Tout le monde est dans la même salle mais à des moments différents.
• CDMA = 1 salle, en même temps, mais chaque enseignant parle une langue différente. Les élèves de chaque groupe n'écoutent que leur langue, les autres ressemblent à du bruit.

Pourquoi diviser en cellules ? Pourquoi pas un seul gros émetteur ?

Imaginons l'alternative : une seule grande antenne qui couvre toute une ville. Pour porter loin il faut une puissance énorme, et toute la bande disponible (par exemple 25 MHz = 124 porteuses) doit être partagée par tous les abonnés de la ville. Au-delà de quelques milliers d'utilisateurs : saturation immédiate.

Pensez à un seul restaurant géant qui sert toute la ville (cuisine immense, file d'attente kilométrique) vs plein de petits restaurants de quartier qui se répartissent la clientèle. Les petits gèrent mieux : moins de queue, service plus rapide, et surtout — ils peuvent réutiliser les mêmes recettes (mêmes fréquences) puisqu'ils sont à des endroits différents.

Le concept cellulaire est exactement ça : on découpe le territoire en petites zones, chacune avec sa propre BTS qui sert ~100 communications. Et surtout — on réutilise les mêmes fréquences dans des cellules suffisamment éloignées pour qu'elles ne se brouillent pas. Le spectre limité devient capacité illimitée.

Le trade-off fondamental

Petites cellules → plus de réutilisations → plus de capacité, mais plus d'interférence si on est trop serré. Grosses cellules → moins d'interférence mais peu de capacité par km². Tout l'art de l'opérateur est de doser cellule par cellule selon le trafic local : pico-cellules en centre-ville, macro-cellules en campagne.

Pourquoi des hexagones et pas des carrés ou des cercles ?

Une antenne rayonne dans toutes les directions avec à peu près la même puissance → sa zone de couverture est un cercle. Mais des cercles posés côte à côte laissent des trous (zones sans couverture) ou se chevauchent énormément.

Il n'existe que trois polygones réguliers qui pavent le plan sans gap : le triangle, le carré et l'hexagone. Parmi eux, l'hexagone est celui qui ressemble le plus au cercle (compacité 0,907 vs 0,785 pour le carré). C'est donc la meilleure approximation d'un cercle qui pave le plan. D'où le modèle hexagonal — pratique pour les calculs, sans gap, et proche de la réalité physique.

Pourquoi K = i² + ij + j² et pas n'importe quel entier ?

Sur une grille hexagonale, vous ne pouvez pas marcher dans n'importe quelle direction : il y a 6 directions discrètes (les 6 voisins). Si vous voulez placer une cellule de même fréquence "ailleurs", vous devez vous déplacer de i pas dans une direction, puis tourner de 60° et faire j pas. Ce vecteur de déplacement définit le motif.

C'est exactement comme placer des pions sur un échiquier avec des règles de cavalier. Pas tous les "sauts" sont possibles. La formule K = i² + ij + j² compte combien de cases hexagonales tiennent dans le motif fondamental que vous avez défini par (i, j) — c'est purement géométrique, lié à la trigonométrie de l'hexagone (loi des cosinus avec angle 60°).

👉 Les valeurs possibles sont K = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 27, 28, 31, 36, … et c'est tout. Vous ne pouvez pas faire un motif à K=5 ou K=6 (essayez !).

Le compromis essentiel : capacité ↔ qualité

K est le bouton de réglage du réseau. L'opérateur a deux objectifs opposés :

📈 Capacité élevée → veut K petit. Si vous avez 120 fréquences et K = 3, chaque cellule en utilise 40. Si K = 12, chaque cellule n'en utilise que 10. K=3 = 4× plus de capacité.

🛡 Qualité élevée → veut K grand. Si K = 3, les cellules co-canal sont à seulement √9·R = 3R l'une de l'autre → forte interférence mutuelle. Si K = 12, elles sont à √36·R = 6R → interférence très diluée.

Imaginez un quartier où chaque restaurant doit choisir sa musique d'ambiance dans un catalogue limité. Si on autorise 3 restos voisins à jouer la même playlist : la concurrence se brouille mutuellement (chacun entend la musique de l'autre par la fenêtre). Si on impose une distance de 12 restos avant de réutiliser une playlist : aucun conflit, mais on a très peu de choix par resto.

👉 En GSM, le compromis retenu est K = 12 : suffisamment grand pour respecter le seuil C/I = 9 dB en 90% des cas (cf. effet de masque), tout en gardant une capacité raisonnable. En CDMA, on peut descendre à K = 1 (toutes cellules sur la même fréquence) parce que c'est l'orthogonalité des codes qui sépare les utilisateurs, pas la fréquence — quasi-miracle !

Que représentent physiquement i et j ?

i et j ne sont pas des nombres abstraits — ce sont des nombres de pas sur la grille hexagonale, comme des coordonnées sur un échiquier. La recette pour passer d'une cellule à sa plus proche cellule co-canal (= une cellule qui utilise les mêmes fréquences) est exactement :

1. Avancez de i hexagones dans une direction (par exemple plein est).
2. Tournez de 60° dans le sens trigonométrique (contre les aiguilles d'une montre).
3. Avancez de j hexagones dans cette nouvelle direction.

La cellule où vous arrivez est une cellule co-canal. Et la formule K = i² + ij + j² compte tout simplement combien de cellules tiennent dans le motif ainsi défini. Le simulateur ci-dessous montre cette construction étape par étape — manipulez i et j pour voir comment le chemin change.

Ce que C/I mesure vraiment

C = puissance du signal utile (votre BTS qui vous parle). I = puissance des interféreurs co-canal (les BTS lointaines qui parlent à d'autres mobiles sur la même fréquence). N = bruit thermique (négligeable en zone urbaine).

Vous êtes dans un café et vous parlez à un ami. Sa voix = C. Les conversations des autres tables sur le même sujet = I. Le bruit du climatiseur = N. Si votre ami parle plus fort que toutes les autres tables réunies (C/I > 1 = 0 dB), vous le comprenez. Sinon, c'est la cacophonie.

Le seuil GSM = 9 dB signifie que la voix utile doit être au moins ~8× plus forte (10^0.9) que la somme des interférences pour démoduler correctement. Les codes correcteurs d'erreur permettent de descendre à ce seuil — sans eux il faudrait C/I > 15 dB.

Pourquoi est-ce indépendant de la puissance d'émission ?

Si toutes les BTS émettent à la même puissance P, alors quand vous augmentez P, votre signal C augmente mais l'interférence I augmente aussi proportionnellement (les interféreurs sont aussi des BTS qui ont monté leur puissance). Le rapport reste constant — vous ne gagnez rien en hurlant si tout le monde hurle aussi.

👉 La seule façon d'améliorer C/I est de modifier la géométrie : éloigner les co-canaux (augmenter K, donc D). C'est pour ça que K est appelé la "capacité intrinsèque" d'un système — ça ne dépend que de la technique radio, pas de votre budget en watts.

Pourquoi le C/I est-il aléatoire et pas déterministe ?

En théorie, à distance d fixée, le signal devrait avoir une puissance fixe. En pratique, jamais. Un mobile à 1 km de la BTS peut recevoir 30 dB de moins qu'un autre mobile au même endroit, juste parce qu'il y a un immeuble entre lui et l'antenne. C'est l'effet de masque (shadowing).

Imaginez chercher à entendre une cloche d'église dans une ville. À 500 m à vol d'oiseau, vous l'entendez parfaitement depuis une place ouverte… ou pas du tout depuis une ruelle entourée d'immeubles. La distance n'a pas changé, mais les obstacles entre vous et la source font une énorme différence.

Pourquoi log-normale ?

Le signal traverse plusieurs obstacles indépendants (un mur, puis un arbre, puis un autre mur…), chacun atténuant d'un facteur multiplicatif aléatoire. Le produit de N variables aléatoires positives ≈ exponentielle d'une somme → par théorème central limite, la somme tend vers une gaussienne → le produit tend vers une log-normale. C'est pour ça qu'en dB (espace logarithmique), la distribution est gaussienne.

👉 Conséquence : le réseau doit être dimensionné avec une marge statistique. On ne garantit pas "C/I > seuil partout", mais "C/I > seuil dans 90% des cas". D'où la courbe P(C/I < x) qui détermine le K minimum pour respecter une qualité de service.

Pourquoi deux bases de données et pas une seule ?

Un opérateur GSM peut avoir 20 millions d'abonnés. Si à chaque appel ou déplacement, il fallait interroger une seule base centrale, celle-ci serait un goulot d'étranglement énorme (et un point de défaillance unique).

Imaginez une banque nationale avec une agence centrale unique à Paris où sont stockés tous les comptes. Chaque retrait dans n'importe quelle ville devrait téléphoner à Paris pour vérifier le solde. Insoutenable. La solution réelle ? Chaque agence locale garde une copie des comptes de ses clients fréquents — c'est plus rapide, et l'agence centrale n'est consultée que pour les opérations inhabituelles (transferts, ouverture de compte, etc.).

HLR/VLR fait exactement ça :

• HLR = la banque centrale. Une par opérateur. Connaît tous les abonnés du réseau (profil, options, droits). Mais ne sait pas où ils sont précisément — juste quel VLR les héberge actuellement.
• VLR = l'agence locale. Une par MSC (≈ quelques centaines de cellules). Stocke une copie des abonnés présents dans sa zone, plus leur zone de localisation précise.

Le VLR est explicitement décrit comme un cache du HLR — exactement comme votre navigateur cache les pages web pour éviter de tout retélécharger.

Le partage du travail

Quand vous changez de ville et entrez dans une nouvelle zone gérée par un autre MSC/VLR : le nouveau VLR récupère votre profil depuis le HLR, le HLR met à jour "VLR_courant" pour vous, et l'ancien VLR efface votre fiche. C'est rapide, parallélisable, et le HLR n'est consulté qu'à chaque changement de VLR — pas à chaque cellule, pas à chaque appel local.

Pourquoi 4 numéros différents ? Un seul ne suffirait pas ?

Chaque numéro joue un rôle distinct et ne peut pas être remplacé par un autre. Une analogie vous fait tout comprendre :

Imaginez une star de cinéma sous protection rapprochée dans un grand hôtel international :

• MSISDN = son nom public (ex : "Brad Pitt"). C'est par lui qu'on l'appelle quand on veut le contacter. Tout le monde peut le connaître. Format : numéro de téléphone international, ex. +216 25 123 456.
• IMSI = son numéro de sécurité sociale. Identité interne unique au réseau, jamais divulguée en public. Format : 15 chiffres (MCC + MNC + MSIN), stocké dans la SIM.
• TMSI = son nom de code ("Monsieur X") utilisé sur la voie radio. Il change régulièrement, même son nom de code de la veille n'est plus valide aujourd'hui. Empêche un attaquant de pister "le même mobile" en écoutant l'air.
• MSRN = son numéro de chambre d'hôtel actuelle (suite 3204 ce soir, suite 1850 demain). Attribué à la volée au moment où on doit acheminer un appel vers lui, parce qu'il dépend d'où il est en ce moment.

Le ballet des conversions lors d'un appel entrant

Alice (poste fixe) compose le MSISDN de Brad → arrive au GMSC. Le GMSC demande au HLR "où est ce MSISDN ?" → le HLR retourne l'IMSI de Brad et lui demande son MSRN via son VMSC. Le VMSC alloue un MSRN, le retourne. L'appel est acheminé par le MSRN jusqu'au VMSC, qui fait du paging sur la voie radio avec le TMSI de Brad (pour ne pas le pister). Brad répond, conversion TMSI → IMSI au VLR, et l'appel est établi.

👉 Chaque numéro vit à un niveau différent du réseau : MSISDN au niveau monde, IMSI au niveau opérateur, MSRN au niveau commutateurs, TMSI au niveau radio. Vouloir tout faire avec un seul numéro casserait soit la sécurité, soit l'efficacité du routage.

Pourquoi le handover est-il un problème difficile ?

Vous parlez au téléphone en voiture. Vous quittez la zone de la BTS A et entrez dans celle de la BTS B. Question piège : qui décide du basculement, et quand ? Trop tôt → vous perdez le signal de A alors que B n'est pas encore assez fort. Trop tard → vous tombez dans une "zone morte" où ni A ni B ne vous capte bien.

Imaginez un relais de natation entre deux nageurs. Pour passer le témoin sans le faire tomber dans l'eau, il faut que les deux nageurs soient côte à côte pendant un instant. Si le premier sort trop tôt ou si le second arrive trop tard, c'est la catastrophe.

Et pire : sans précaution, le mobile pourrait basculer entre A et B 50 fois en 30 secondes si vous êtes à la frontière exacte des deux cellules et que les signaux fluctuent. C'est l'effet ping-pong, désastreux pour le réseau.

La solution GSM : hystérésis

On ne bascule pas dès que B = A. On exige que B soit nettement plus fort que A pendant plusieurs secondes (typiquement 6 à 8 dB de plus, soit 4× la puissance). C'est l'hystérésis (HOM = Hand-Over Margin). Une fois sur B, on ne reviendra sur A que si A devient à son tour 6 dB plus fort que B. Cette zone "morte" entre les deux seuils empêche les oscillations.

Hard vs Soft : pourquoi cette différence ?

Tout vient de la technologie d'accès. En GSM (FDMA/TDMA), chaque cellule utilise des fréquences différentes (motif K = 12). Votre mobile ne peut écouter qu'une fréquence à la fois. Donc pour basculer de A vers B, il doit littéralement changer de fréquence — il "déconnecte" A puis "reconnecte" B. Pendant cette commutation, blackout de 100-300 ms. C'est break-before-make.

C'est comme changer de chaîne TV avec une vieille télé : pendant que vous appuyez sur la télécommande, l'écran devient noir un instant avant d'afficher la nouvelle chaîne. Bref, mais inévitable.

En CDMA (UMTS), toutes les cellules utilisent la même fréquence (K = 1). Votre mobile peut écouter A et B en même temps, juste avec deux codes de séparation différents. Il combine leurs signaux ("rake receiver") pour avoir une meilleure qualité. C'est make-before-break.

Comme une conférence à plusieurs voix où plusieurs personnes lisent le même texte en chœur. Vous entendez plusieurs sources qui disent la même chose — même si l'une devient inaudible (mobile s'éloigne), les autres prennent le relais sans interruption.

Le prix à payer pour la continuité

Soft handover = plus de qualité mais plus de ressources consommées : le mobile occupe simultanément des canaux dans 2-3 cellules. Si tout le monde est en handover, le réseau d'accès est surchargé. C'est pour ça que le soft handover n'est pas activé pour le mode paquet (où une coupure de 100 ms est de toute façon retransmise) : trop cher pour ce qu'il apporte.

Pourquoi découper le temps en slots ?

Une porteuse de 200 kHz permettrait théoriquement de transmettre 1 communication continue. Mais une voix codée en GSM ne demande que ~13 kbit/s — il y a un énorme gaspillage de spectre si on dédie 200 kHz à une seule personne.

Pensez à un photocopieur partagé en open space. Si une seule personne l'occupe en permanence, c'est du gâchis. Mais si on dit "chacun a son créneau de 30 secondes" et qu'on tourne entre 8 personnes, le photocopieur fonctionne tout le temps et tout le monde finit son travail à peine plus lentement.

En TDMA, c'est pareil : on découpe la porteuse en 8 slots temporels. Chaque utilisateur a "son" slot toutes les 4,615 ms (durée d'une trame). Pendant ce slot (577 µs), il a la totalité de la bande passante de la porteuse. Résultat : 8 communications partagent une seule porteuse — la capacité est multipliée par 8 sans avoir besoin de plus de spectre.

Pourquoi 8 slots et pas 4 ou 16 ?

C'est un compromis. Trop de slots → chaque slot devient trop court → le mobile passe trop de temps à se synchroniser. Trop peu → moins de capacité. 8 = optimum trouvé empiriquement avec les contraintes techniques de 1985 (puissance de calcul, gigue de l'horloge mobile, codage de la voix à 13 kbit/s qui rentre dans 577 µs avec le bon ratio).

Pourquoi un intervalle de garde ?

Les mobiles sont à des distances variables de la BTS — leur signal n'arrive pas exactement au même instant. Si deux mobiles dans deux slots consécutifs émettent exactement à leur slot, leurs signaux pourraient se télescoper à la BTS. Le guard time (8,25 bits = 30 µs) au bout de chaque burst, c'est juste une marge de sécurité — comme l'espace entre les voitures sur l'autoroute. La BTS dit aussi au mobile "tu es loin, anticipe ton émission de tant" — c'est le timing advance.

Pourquoi tant de canaux ? Une analogie postale

Imaginez une grande mairie qui doit communiquer avec ses citoyens. Elle a besoin de plusieurs types de communication :

• BCH = tableau d'affichage municipal : "il est 9h, on diffuse en 950 MHz, voici les services disponibles". Diffusé en permanence à tous, pas besoin de demander. (FCCH = horloge, SCH = "je suis la mairie n°X", BCCH = annonces générales.)
• CCCH = standard téléphonique public. Pour appeler quelqu'un (PCH), pour qu'un nouveau citoyen se présente (RACH), pour qu'on lui assigne un bureau (AGCH).
• DCCH = ligne directe avec un agent dédié, une fois la prise de contact établie. Pour signer des papiers (SDCCH), pour rester en contact même pendant le rendez-vous (SACCH), pour gérer une urgence (FACCH, type handover).
• TCH = la conversation elle-même. Le canal de voix ou de données utiles, qui n'existe que pendant une "vraie" communication.

Sans cette spécialisation, on aurait tous les types de messages mélangés sur le même canal — chaotique et inefficace. Chaque canal a son rôle, son sens (DL/UL) et son timing.

Commutation de circuits vs paquets — la grande différence

En GSM, quand vous appelez quelqu'un, le réseau réserve un canal dédié (un slot TDMA dans une porteuse spécifique) pour vous, de bout en bout, pendant toute la durée de l'appel. Même si vous restez 10 secondes silencieux, ce canal vous est réservé et personne d'autre ne peut l'utiliser.

C'est comme louer un taxi à la journée : la voiture est à vous, garée devant chez vous, même quand vous prenez une douche ou faites la sieste. Vous payez la durée totale, peu importe l'utilisation. Pour la voix où le débit est constant et la latence critique, ça marche très bien.

Mais pour des données (mail, web), c'est absurde : vous consultez une page web → 100 ko en 2 secondes, puis vous lisez pendant 2 minutes → rien. Avec le mode circuit, vous monopolisez le canal pendant ces 2 minutes pour ne rien transmettre. Et vous payez à la durée.

La commutation de paquets, c'est totalement différent :

C'est comme la poste. Vous écrivez une lettre (paquet), vous la mettez dans la boîte, elle est routée au destinataire en partageant les routes avec des milliers d'autres lettres. Quand vous n'envoyez rien, vous ne payez rien. La même infrastructure sert tout le monde dynamiquement.

En GPRS, les slots radio sont partagés à la demande entre plusieurs mobiles. Quand vous chargez une page : vos paquets arrivent en rafale, vous obtenez plusieurs slots simultanément (jusqu'à 8, soit 171,2 kbit/s). Quand vous lisez : 0 slot. Quand quelqu'un d'autre charge sa page : ses paquets prennent les slots disponibles. Le spectre est utilisé à 100% en moyenne, et la facturation est au volume (mégaoctets), pas à la durée.

Pourquoi le GSM seul ne suffisait pas ?

Le GSM "data mode circuit" plafonne à 9,6 kbit/s — incompatible avec le web naissant des années 2000. Pour atteindre des débits plus élevés sans changer le hardware radio, l'idée de GPRS est : "regroupons plusieurs slots TDMA en une session paquet". Si vous avez 4 slots simultanés sur un même mobile, votre débit est ×4. Avec les schémas de codage CS-1 à CS-4 qui peuvent monter à 21,4 kbps par slot, et 8 slots en théorie : ~170 kbps. EDGE a poussé encore plus loin avec une modulation 8PSK au lieu de GMSK.

Pourquoi le NSS du GSM ne pouvait-il pas servir directement pour le paquet ?

Le MSC est un commutateur téléphonique. Il sait gérer des circuits : "réserve cette ligne pendant X minutes pour cet appel". Il ne sait pas router des paquets IP avec des adresses, du TTL, du checksum etc. — c'est un langage complètement différent.

C'est comme si vous demandiez à un opérateur de standard téléphonique des années 60 (avec les fiches qu'on branche manuellement) de router votre email. Il ne comprend pas. Vous avez besoin d'un nouvel équipement spécialisé qui parle IP : c'est le rôle des SGSN et GGSN.

Le parallèle exact GSM ↔ GPRS

Les concepteurs de GPRS ont voulu réutiliser au maximum l'architecture GSM existante. Ils ont créé deux nouveaux équipements parallèles au monde circuit :

• SGSN ↔ MSC : le commutateur qui sert votre zone. Il connaît votre identité, vous authentifie, suit vos déplacements, route vos paquets dans la bonne direction. C'est l'équivalent du MSC, version paquet.
• GGSN ↔ GMSC : la passerelle vers le monde extérieur. GMSC vous connecte au réseau téléphonique fixe (RTC). GGSN vous connecte à Internet. Même rôle de "porte de sortie".

L'avantage de cette dualité : le GSM voix continue à fonctionner exactement comme avant, et le GPRS data coexiste sans le perturber. Quand vous êtes en appel (voix sur MSC) et que vous recevez un mail (data sur SGSN), les deux passent par la même BTS mais sont gérés par deux "cerveaux" différents en arrière.

Pourquoi une adresse IP privée 10.x.x.x ?

Internet n'a que ~4 milliards d'adresses IPv4. Donner une IP publique à chacun des milliards de mobiles = impossible. Solution : chaque opérateur attribue à ses mobiles une IP privée (depuis le bloc 10.0.0.0/8 réservé aux réseaux privés) → le GGSN fait du NAT (Network Address Translation) pour parler à Internet avec ses propres IPs publiques.

C'est comme un grand centre d'appels où chaque agent a un poste interne (4 chiffres), et un standard unique qui présente le numéro de l'entreprise quand il appelle vers l'extérieur. Tous les agents partagent l'identité externe.