1G et 2G : du téléphone analogique au GSM numérique

1. La 1G : enfin cellulaire… mais très bavarde

Il faut ensuite quelques années pour que le principe cellulaire du chapitre 1 devienne un service commercial. C'est la première génération (1G) :

Le téléphone vedette de cette époque, le Motorola DynaTAC 8000X, pèse près d'un kilo (de 0,8 à 1,1 kg selon les sources), offre 30 minutes de conversation pour 10 heures de recharge, et coûte 3 995 dollars (1984). On le surnomme « la brique ».

La technique radio de la 1G

• Voix analogique, transmise en modulation de fréquence (FM), comme une radio FM.
• Accès multiple par répartition en fréquence (FDMA) : chaque conversation occupe en permanence sa propre paire de canaux, un par sens (30 kHz chacun en AMPS).
• Des cellules et la réutilisation des fréquences, avec des motifs de l'ordre de $N=7$ (chapitre 1).

Et la sécurité ? Aucune. La voix circule en clair : un simple récepteur à balayage (scanner) réglé sur la bonne fréquence permet d'écouter les conversations. Pire, l'identifiant du téléphone, émis lui aussi en clair, peut être capté puis recopié dans un autre appareil : c'est le clonage, et c'est le propriétaire légitime qui reçoit la facture.

2. La 2G : le GSM passe au numérique

À la fin des années 1980, les pays européens ont chacun leur système 1G, incompatibles entre eux : impossible d'utiliser son téléphone de l'autre côté de la frontière. Ils décident de construire ensemble une norme numérique commune : le GSM. Le premier appel GSM est passé en Finlande le 1er juillet 1991. En France, France Télécom ouvre Itinéris le 1er juillet 1992, suivi par SFR en décembre 1992.

Pourquoi le numérique change tout

• La voix est numérisée et compressée (environ 13 kbit/s) : elle devient une suite de bits.
• Des codes correcteurs d'erreurs protègent ces bits : le système tolère beaucoup plus d'interférences. Le GSM fonctionne avec un C/I d'environ 9 dB, contre environ 18 dB en analogique. On peut donc utiliser des motifs plus petits ($N=3$ ou $4$ au lieu de $7$) : plus de canaux par cellule, avec le même spectre (chapitre 1).
• Les bits peuvent être chiffrés : fin de l'écoute au scanner.
• On peut transmettre autre chose que de la voix : des données.

L'accès multiple du GSM : fréquence ET temps

Le GSM combine deux découpages. La bande est découpée en porteuses de 200 kHz (FDMA). Chaque porteuse est ensuite partagée dans le temps en 8 intervalles de temps (timeslots) de 577 µs : c'est le TDMA. Un téléphone n'émet que pendant son intervalle, puis se tait pendant les 7 autres. La trame de 8 intervalles dure $8\times 577\mu \text{s}\approx \mathrm{4,6}\text{ms}$.

La GMSK : une FSK qui ne fait pas de vagues

Le GSM transmet $R_b=\mathrm{270,833}$ kbit/s par porteuse, sur une modulation de fréquence numérique, la GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Rappel du cours 1 (chapitre 7) : en FSK, chaque bit choisit une fréquence. La GMSK part de là avec deux raffinements.

• MSK : les deux fréquences sont écartées du minimum qui permet encore de les distinguer, la moitié du débit. La phase ne saute jamais : elle tourne de +90° ou de −90° pendant chaque bit. Pour le GSM : $$f=f_c\pm \frac{R_b}{4}=f_c\pm \frac{\mathrm{270,833}\text{kHz}}{4}\approx f_c\pm \mathrm{67,7}\text{kHz}$$
• G pour gaussien : avant de piloter la fréquence, les bits passent dans un filtre gaussien qui adoucit les transitions. Sa bande $B$ se règle par le produit $BT$ ($T$ est la durée d'un bit). Plus $BT$ est petit, plus le filtre est sévère. Le GSM utilise $BT=\mathrm{0,3}$.

Le filtre a un prix : chaque bit déborde sur ses voisins (une interférence entre symboles volontaire), et la fréquence n'atteint plus toujours ±67,7 kHz. Avec $BT=\mathrm{0,3}$, le récepteur sait la compenser : c'est le compromis retenu par le GSM pour tenir dans ses 200 kHz sans gêner les canaux voisins.

Son grand avantage pour l'électronicien : l'enveloppe reste constante, quel que soit $BT$, car seule la fréquence varie. L'amplificateur de puissance du téléphone peut donc fonctionner en régime saturé, là où son rendement est le meilleur : la batterie dure plus longtemps (cours 4).

3. La carte SIM : l'identité sort du téléphone

Grande nouveauté du GSM : l'identité de l'abonné n'est plus inscrite dans le téléphone, mais dans une petite carte à puce amovible, la carte SIM (Subscriber Identity Module). Changer de téléphone ? On déplace la carte. Voyager à l'étranger ? Le réseau étranger interroge votre opérateur : c'est l'itinérance du chapitre 1.

La SIM contient notamment :

• l'IMSI, le numéro d'identité de l'abonné (différent de son numéro de téléphone) ;
• une clé secrète Ki, dont une copie est stockée chez l'opérateur, dans le centre d'authentification (AuC). Cette clé ne sort jamais de la carte.

Le principe du défi-réponse

Comment prouver qu'on possède la clé sans jamais l'envoyer ? Le réseau envoie un nombre aléatoire, le défi (RAND). La SIM le combine avec Ki par un algorithme secret et renvoie le résultat, la réponse (SRES). L'AuC fait le même calcul de son côté : si les deux résultats sont identiques, l'abonné est authentique. Le même calcul produit aussi la clé qui servira à chiffrer la conversation.

Côté réseau

La BTS est la station de base, avec ses antennes. Le BSC pilote plusieurs BTS et décide des handovers. Le MSC commute les appels. Le HLR est la base de données des abonnés de l'opérateur, associée à l'AuC ; le VLR garde la trace des abonnés présents dans la zone, y compris les visiteurs étrangers.

4. Le SMS, puis les données : GPRS et EDGE

Le SMS n'était pas prévu pour devenir un phénomène de société. Il a été conçu pour se glisser dans les canaux de signalisation du réseau, ceux qui servent à gérer les appels. D'où sa limite de 160 caractères codés sur 7 bits : Friedhelm Hillebrand, l'un de ses concepteurs, avait estimé que la plupart des cartes postales et des télex tenaient dans cette longueur.

Les données : 2,5G et 2,75G

Pour transporter des données, le GSM réserve d'abord un intervalle de temps pendant toute la connexion, comme pour un appel : c'est lent et coûteux. Deux évolutions changent la donne :

• GPRS (premiers services commerciaux en 2000, parfois appelé 2,5G) : les données sont découpées en paquets, et les intervalles de temps ne sont occupés que lorsqu'il y a quelque chose à envoyer. Le téléphone peut rester « toujours connecté ». Débits réels : quelques dizaines de kbit/s.
• EDGE (opérationnel à partir de 2003, parfois appelé 2,75G) : une modulation à 8 états de phase (8-PSK) transporte 3 bits par symbole au lieu de 1. Débits de l'ordre de quelques centaines de kbit/s au mieux.

Côté terminal, la « brique » disparaît : les téléphones deviennent compacts, l'autonomie se compte en jours, et l'antenne extérieure finit par disparaître à l'intérieur du boîtier. Pour l'électronicien, intégrer une antenne efficace dans un si petit volume, à côté de la batterie et des circuits, devient un vrai défi (cours 4).

Avant la suite, vérifiez que vous savez :

• expliquer pourquoi le numérique permet plus d'abonnés et plus de sécurité ;
• décrire comment le GSM partage le spectre en fréquence et en temps ;
• expliquer le défi-réponse et le rôle de la SIM ;
• nommer les éléments du réseau GSM.