Le réseau cellulaire est un réseau de communications spécialement destiné aux équipements mobiles.
Il permet la communication entre ces unités mobiles ainsi qu'avec l'ensemble des abonnés au téléphone mobile.
L'onde radio dans le cas d'un réseau cellulaire est le lien entre l'abonné et l'infrastructure de l'opérateur.
 

En 1982, le CEPT a décidé de normaliser un système de communication mobile dans la gamme des 890-915 et 935-960 MHz pour l'ensemble de l'Europe. Un peu plus tard, les premiers grands choix étaient faits avec en particulier un système numérique.

Avec une autre version dans la gamme des 1 800 MHz (le DCS 1800 ou Digital Cellular System), la norme GSM (Global System for Mobile communication) a été finalisée au début 1990. Cette norme  est complète et comprend tous les éléments nécessaires à un système de communication numérique avec les mobiles.

Dans un système GSM, la station mobile comprend deux parties :

• l'équipement mobile qui permet la communication radio
• le module d'identification qui contient les caractéristiques identifiant l'abonné.

Le réseau est découpé en cellules qui possèdent chacune une station de base, ou BTS (Base Transceiver Station), qui s'occupe des transmissions radio sur la cellule. Associés à la station de base, des canaux de signalisation vont permettre aux mobiles de communiquer avec la BTS et vice versa. Chaque station de base est reliée à un contrôleur de station de base ou BCS (Base Station Controller).

Le réseau lui-même contient un commutateur ou MSC (Mobile service Switching Center) qui communique avec les différents systèmes radio, un enregistreur de localisation nominal ou HLR (Home Location Register) qui n'est autre qu'une base de données de gestion des mobiles et un enregistreur de localisation des visiteurs ou VLR (Visitor Localisation Register) qui est une base de données des visiteurs dans une cellule.

En ce qui concerne le mode d'accès, c'est la technique AMRT (Accès Multiple à Répartition dans le temps) ou TDMA (Time Division Multiple Access), dans laquelle le temps est découpé en tranches, qui est employée. Une seule station au maximum peut accéder à une tranche donnée. Par canal radio, le découpage est effectué en 8 tranches d'une durée de 0,57ms. La parole est comprimée sur une bande de 22,8 Khz qui inclut un codage permettant la correction d'erreurs.

Le principal obstacle que doit surmonter un système de radiotéléphonie mobile à grande capacité comme le GSM est l'étroitesse de la bande de fréquence du spectre radioélectrique disponible.
D'où l'idée d'utiliser un grand nombre d'émetteurs récepteurs de faible puissance, disséminés à travers tout le territoire à couvrir (une ville, une région ou un pays). Chaque station offre une couverture de bonne qualité dans une zone restreinte, appelée "cellule", dont le rayon mesure quelques centaines de mètres, quelques kilomètres au maximum. On parle alors de "réseau cellulaire".

A l'échelle d'un pays, l'opérateur du réseau GSM répétera l'opération sur base d'un "planning de couverture". Il tiendra notamment compte de la densité de population des différentes zones à couvrir, et installée un grand nombre de plus petites cellules dans les zones urbaines. Notons que la taille des cellules dépendra également de la puissance des terminaux mobiles que le réseau souhaite accepter. Plus la puissance des terminaux est faible (téléphones portatifs), plus il faudra de cellules de petit rayon, dites "micro-cellules".

Le territoire à déservir est décomposé en cellules. Une cellule est lié à une station de base ou BTS (Base Transceiver Staion) qui possède l'antenne permettant d'émettre vers les mobiles et vice versa. Si la densité du traffic est très forte, plusieurs stations de base peuvent couvrir la cellule avec des rayons inférieurs à 500 mètres.

Les radiotéléphones cellulaires sont en général utilisés en déplacement. Or, comme deux cellules contiguës n'utilisent pas les mêmes canaux radio, la transmission doit donc changer de canal chaque fois que le mobile traverse la frontière séparant deux cellules. Ce processus de transfert automatique d'un canal radio à un autre est appelé handover (transfert) Concrètement, le système cellulaire contrôle en permanence la puissance du signal entre le mobile et la station de base la plus proche. Dès que la puissance tombe sous un niveau donné, le système attribue automatiquement un nouveau canal au mobile, qu'il soit ou non en cours de communication. En fait, le système commande au téléphone mobile de passer sur le nouveau canal et de libérer l'ancien pour un nouvel utilisateur éventuel. Le transfert de canal s'effectue en une fraction de seconde. L'utilisateur ne s'en rend pas compte.
 

Le réseau  peut se découper en trois sous-ensembles

Le sous-système radio rassemble ces stations de base auxquelles sont ajoutés les contrôleurs de stations de base ou BCS (Base Station Controller). Cet ensemble doit gérer l'interface radio. Le travail des stations de base est de prendre en charge les fonctions de transmission et de signalisation. Le contrôleur de base doit gérer les ressources radioélectriques des stations de base qui dépend de lui.

Le sous système réseau contient les centres de commutation du service mobile ou MSC (Mobile service Switching Center) qui assurent l'interconnexion des stations de base entre elles et avec les autres réseaux de télécommunication. Ces centres n'assurent pas la gestion des abonnés et leur rôle est essentiellement la commutation permettant de relié directement ou par un réseau extérieur, les contrôleurs de stations de base. Le sous système réseau contient aussi deux bases de données :

• l'enregistreur de localisation nominal ou HLR (Home location register), gère les abonnés qui sont rattachés au MSC.
• l'enregistreur de localisation des visiteurs ou VLR (Visitor Localisation register), a pour but de connaître la localisation des mobiles qui traversent la zone dont s'occupe le MSC.

Le premier enregistreur n'est pas dynamique tandis que le second l'est.

L'accès d'un utilisateur ne peut s'effectuer qu'au travers d'une carte, la carte SIM (Subscriber Identity Module) qui possèdent l'identité de l'abonné.

Le sous-système d'exploitation (OMC) et de maintenance qui permet à l'opérateur d'administrer son réseau.
 

Lorsque l'utilisateur met son terminal en marche, celui-ci essaie de se connecter à une station de base en explorant la bande de fréquences disponible dans la cellule. La station de base est identifiée par les messages que cette station envoie sans arrêt sur le canal sémaphore de la cellule. Une fois que le terminal a choisi sa cellule en fonction de la puissance des signaux reçus, il se fait connaître grâce au dialogue qui s'établit entre la carte d'identification et la station de base. Le numéro de la zone de localisation du mobile est alors mémorisé dans l'enregistreur de localisation des visiteurs. La station mobile doit effectuer cette opération régulièrement pour faire connaître sa situation géographique. C'est le terminal qui détecte si une nouvelle cellule est mieux appropriée pour  ses communications et qui l'indique à la nouvelle station de base qui relaiera cette information dans l'enregistreur de localisation des visiteurs. Si la zone MSC est modifiée, ce changement géographique est détecté par l'enregistreur de localisation des visiteurs qui dialogue avec le terminal pour mettre sa base de données à jour. C'est cet enregistreur de localisation des visiteurs qui avertit l'enregistreur de localisation nominal du changement et celui-ci à son tour vient mettre à jour l'enregistreur de localisation des visiteurs de la zone qui a été quittée.

La gestion d'un appel provenant du terminal est la suivante : le mobile demande une bande passante par l'intermédiaire du canal sémaphore, puis transmet le n° d'appel au centre de commutation des services mobiles qui l'envoie aux commutateurs du réseau fixe de l'opérateur.

La gestion d'un appel à destination d'un mobile est plus complexe. L'opérateur est indiqué par le type de n° du mobile. L'appel est acheminé vers le MSC le plus proche qui, grâce aux premier chiffres, détecte l'emplacement de l'enregistreur de localisation nominale. Après interrogation de cet enregistreur, l'appel est acheminé jusqu'au MSC concerné qui, grâce à son enregistreur de localisation des visiteurs, véhicule l'appel jusqu'à la station de base concernée. Celle-ci envoie alors un message de diffusion qui permet au mobile de reconnaître son adresse et de demander l'établissement de la communication.

Les différentes entités de gestion du réseau de mobile communiquent entre elles par un protocole dénommé MAP (Mobile Application Part).
 

Glossaire sur le réseau cellulaire