1. Le téléphone qui pesait 36 kg
Le premier service de téléphone mobile commercial ouvre le 17 juin 1946 à Saint-Louis (Missouri, États-Unis). L'équipement pèse 36 kg : un émetteur-récepteur à tubes installé dans le coffre, et un combiné près du tableau de bord. Pour toute la ville, le service ne dispose au départ que de 3 canaux radio. Chaque appel passe par une opératrice, qui met en relation l'automobiliste et son correspondant.
En France, un service comparable ouvre en 1956. Il utilise une seule fréquence, dans la bande des 150 MHz, partagée par tous les abonnés. Quand l'un d'eux décroche, un voyant rouge s'allume chez tous les autres : la ligne est prise, il faut attendre. Le service s'arrête en 1973 avec environ 500 abonnés… pour tout le pays.
Les choses s'améliorent un peu en 1964 aux États-Unis : on compose soi-même le numéro, et les deux personnes peuvent parler en même temps. Mais l'appareil émet toujours avec une puissance d'environ 25 W, et les canaux restent rares.
Pourquoi un abonné français de 1956 devait-il souvent attendre avant de pouvoir appeler ?
- Parce que l'opératrice ne travaillait que de jour
- Parce qu'une seule fréquence était partagée par tous les abonnés
- Parce que la batterie de la voiture devait se recharger entre deux appels
2. Le vrai problème : trop peu de canaux
Ces premiers systèmes reposent tous sur la même idée : une seule grosse antenne, placée sur un point haut (de 30 à 150 m), émettant fort, pour couvrir toute une agglomération, soit une zone de 60 à 100 km de diamètre.
Avec une seule antenne pour toute la ville, chaque conversation bloque son canal sur toute la zone. Avec 8 canaux, 8 personnes peuvent téléphoner en même temps, pas une de plus, que l'agglomération compte 10 000 ou 1 million d'habitants.
Exemple chiffré
Une ville dispose de 8 canaux. À l'heure de pointe, chaque abonné téléphone en moyenne 3 minutes par heure. Combien d'abonnés peut-on accepter, au maximum ?
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Chaque canal offre 60 minutes de conversation par heure. Au total :
Chaque abonné en consomme 3 :
C'est un modèle simplifié et optimiste : il suppose que les appels s'enchaînent sans aucun temps mort. En réalité, il faut garder de la marge pour que les abonnés ne trouvent pas toujours la ligne occupée, donc on en accepte encore moins.
Résultat : aux États-Unis, dans les années 1970, on attendait parfois jusqu'à 3 ans pour obtenir un abonnement.
Une ville dispose de 12 canaux. À l'heure de pointe, chaque abonné téléphone 4 minutes par heure. Combien d'abonnés au maximum ?
3. L'idée géniale : découper la ville en cellules
Le principe tient en trois points :
- On découpe le territoire en cellules, chacune desservie par une station de base de faible puissance. On les dessine en hexagones : c'est la forme la plus proche du cercle qui pave le plan sans trou.
- On répartit les canaux disponibles entre un groupe de cellules voisines, appelé motif (en anglais cluster) : chaque cellule du motif reçoit des canaux différents.
- On répète le motif sur tout le territoire : deux cellules suffisamment éloignées réutilisent les mêmes fréquences sans se gêner.
est le rayon d'une cellule, la distance de réutilisation : la distance entre deux cellules qui utilisent les mêmes canaux (cellules dites co-canal). ne peut prendre que certaines valeurs ( et entiers), pour que le motif pave correctement le plan.
pavage cellulaire et réutilisation
Hypothèses : canaux, ville de 20 km × 20 km (400 km²). Les cellules de même lettre utilisent les mêmes canaux. Le dessin ne change pas d'échelle avec R.
Manipulez le simulateur : plus N est petit, plus chaque cellule a de canaux… mais plus les cellules co-canal se rapprochent, donc plus elles se brouillent. C'est le compromis fondamental du cellulaire : capacité contre interférences.
Exemple chiffré
canaux, , km, ville de 400 km². Calculez le nombre de canaux par cellule, la distance de réutilisation et le nombre de communications simultanées dans la ville.
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Canaux par cellule :
Distance de réutilisation :
Surface d'un hexagone de rayon :
Nombre de cellules et de communications :
C'est 456 communications simultanées, contre 84 au maximum avec une seule grande antenne qui aurait tous les canaux. Avec R = 1 km, il faut 4 fois plus de cellules, donc 4 fois plus de communications : on augmente la capacité en réduisant la taille des cellules.
Des cellules de rayon km sont organisées en motifs de . Quelle est la distance de réutilisation ?
4. Quelle taille de cellule ? Et que se passe-t-il quand on roule ?
La taille d'une cellule se calcule avec un bilan de liaison
En ville, les bâtiments absorbent et réfléchissent les ondes : l'affaiblissement augmente bien plus vite qu'en espace libre. On utilise des modèles empiriques, mesurés sur le terrain. Version simplifiée :
est l'affaiblissement à 1 km et l'exposant d'affaiblissement : en espace libre, environ 3 à 4 en ville. Pour une ville à 900 MHz avec une antenne à 30 m de haut, on prendra dB et (ordre de grandeur tiré du modèle d'Okumura-Hata ; modèle simplifié, la réalité varie beaucoup d'une rue à l'autre).
Exemple chiffré : le téléphone limite la taille de la cellule
C'est la liaison montante (du téléphone vers l'antenne) qui limite : le téléphone émet bien moins fort que la station de base. Valeurs typiques : dBm (2 W), dBi, dBi, dBm, dB.
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Affaiblissement maximal admissible :
On cherche la distance pour laquelle :
Avec 2 W seulement, on couvre une cellule de quelques km de rayon. C'est tout l'intérêt des petites cellules : un appareil de faible puissance suffit, donc il peut devenir léger et tenir dans la main. Le téléphone de voiture de 25 W n'est plus nécessaire.
Le handover : changer de cellule en pleine conversation
Une voiture roule et quitte sa cellule. Le réseau mesure en permanence la puissance reçue des cellules voisines. Quand une voisine devient nettement meilleure, la communication bascule vers elle : c'est le handover (transfert intercellulaire). On exige que la voisine soit meilleure d'une certaine marge, l'hystérésis, pour éviter que la communication fasse sans cesse des allers-retours entre deux cellules (effet « ping-pong »).
handover entre deux stations de base
Hypothèses : stations distantes de 6 km, 43 dBm (20 W) et 15 dBi d'antenne, modèle , hystérésis 3 dB. Faites des allers-retours : le basculement ne se fait pas au même endroit dans les deux sens.
L'itinérance : utiliser le réseau d'un autre
Quand vous êtes à l'étranger, votre téléphone se connecte au réseau d'un opérateur local, qui reconnaît votre identité et facture votre opérateur : c'est l'itinérance (en anglais roaming). Cela suppose que les réseaux sachent identifier un abonné venu d'ailleurs : ce sera le rôle de la carte SIM, au chapitre 2.
À quoi sert l'hystérésis dans la décision de handover ?
- À augmenter la puissance du téléphone pendant le changement de cellule
- À réduire le nombre de canaux utilisés
- À éviter que la communication bascule sans cesse entre deux cellules
- Les premiers téléphones de voiture (0G) utilisaient une grosse antenne par ville : très peu de canaux, donc très peu d'abonnés.
- Le principe cellulaire réutilise les mêmes fréquences dans des cellules éloignées : canaux par cellule, distance de réutilisation .
- Petit N : plus de capacité, mais plus d'interférences. Petites cellules : plus de capacité et des téléphones de faible puissance.
- La taille d'une cellule se déduit d'un bilan de liaison, en général limité par la liaison montante.
- Handover : changement de cellule en communication, avec une hystérésis. Itinérance : utilisation du réseau d'un autre opérateur.
Avant la suite, vérifiez que vous savez :
- Wikipédia (en) : Mobile Telephone Service, Improved Mobile Telephone Service, Cellular network (consulté le 10/10/2026).
- Service français de 1956 : Tom’s Guide, « Il était une fois, le téléphone portable » (2008) ; memoireonline (sources secondaires).
- Modèle de propagation : formule empirique d'Okumura-Hata (milieu urbain), utilisée ici comme ordre de grandeur.