COURS_GSM_TRII_CFP_2010

REPUBLIQUE DU BENIN &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&

CENTRE DE FORMATION PROFESSIONNELLE

FILIERE : Télécommunications-Réseaux II OPTIONS : Réseaux Télécoms & Téléinformatique II

MODULE :

PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DES RESEAUX GSM

Formateurs : AFOKPE G. Jean AGOSSOU Y. Florentin

ANNEE ACCADEMIQUE 2009-2010

PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DES RESEAUX MOBILE GSM

INTRODUCTION L’exigence de mobilité des activités humaines de plus en plus accrue a engendré l’avènement des systèmes de téléphonie mobile dont le support d’accès est l’onde radioélectrique. Ces systèmes ne sont pas nés tels qu’ils se présentent aujourd’hui. Ainsi plusieurs générations se sont succédées. On distingue en effet les systèmes de téléphonie mobile de première génération basée sur des techniques de transmission analogiques et les systèmes de téléphonie mobile de deuxième génération basée sur les techniques de transmission numériques. De ces systèmes de deuxième génération sont issus divers systèmes de télécommunication mobile de troisième génération. Des technologies de téléphonie mobile de deuxième génération, le GSM est et demeure la plus déployée dans le monde. Ce cours a pour objectif de permettre aux participants de se familiariser avec la norme GSM à travers son historique, ses motivations, son architecture et les concepts de base des réseaux GSM.

Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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CHAPITRE I : GENERALITE SUR LES RESEAUX GSM I- HISTORIQUE ET MOTIVATIONS A- HISTORIQUE L'histoire de la téléphonie mobile (numérique) débuta réellement en 1982. En effet, à cette date, le Groupe Spécial Mobile, appelé GSM, est créé par la Conférence Européenne des administrations des Postes et Télécommunications (CEPT) afin d'élaborer les normes de communications mobiles pour l'Europe dans la bande de fréquences des 900MHz déjà réservée depuis 1978 par la Conférence Mondiale des Radiocommunications (WARC). Notons que les années 80 avaient déjà vu le développement du numérique tant au niveau de la transmission qu'au niveau du traitement des signaux, avec pour dérivés des techniques de transmission fiables, grâce à un encodage particulier des signaux préalablement à l'envoi dans un canal, et l'obtention de débits de transmission raisonnables pour les signaux. Ainsi, on a eu chronologiquement : 1985-86 : Accord quadripartite (France, Allemagne, Italie, Grande-Bretagne) pour promouvoir le numérique et l'ouverture en 1991. 1986 : Sous-groupes techniques : - GSM1 : Services, - GSM2 : Aspects physiques de l'interface radio, - GSM3 : Signalisation, - GSM4 : Services de données. 1 Juillet 1987 : Adoption de la norme radio au GSM. Août 1987 : Création du MoU (Memorandum of Understanding : protocole d'accord) lie les futurs exploitants GSM sur les principes de développement et d'exploitation du GSM. 1987-88 : Adoption des interfaces réseaux au GSM. Le groupe Spécial Mobile GSM fixe les choix relatifs à l’usage des Télécommunications mobiles à savoir : - une transmission numérique, - un multiplexage Temporel des canaux radio, - un chiffrement des informations, - un codage de la parole. Le sigle GSM changea de signification et devient « Global System for Mobile Communications ». 1988 : Transfert de responsabilité de la CEPT à l'ETSI Participation des industriels. Mars 1990 : "Gel" des spécifications GSM. 1991 : 100 recommandations (plus de 5000 pages) sont éditées en 12 séries. Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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Juillet 1991 : Première communication MS GSM abonné RTCP. 4 Octobre 1991 : Première communication GSM avec handover. Premiers mobiles GSM d’Alcatel, Motorola et Orbitel. Décembre 1991 : Premiers réseaux expérimentaux (Paris ; …). Juillet 1992 : Ouverture commerciale des réseaux (France, Allemagne, ...).

o o o o o o o o o o o o o o

B- MOTIVATIONS Les motivations de l’avènement de la norme GSM sont nombreuses. Il s’agit notamment de : Demande croissante en communications mobiles ; Limitation du nombre de fréquences allouables ; Améliorations techniques ; Norme internationale unique ; Compatibilité des équipements + roaming international ; Même terminal utilisable dans tous les pays ; Intégration des composants => Réduction de taille ; Economies d'échelle => Réduction de coût ; Techniques numériques => Capacité plus importante et meilleure qualité de service ; Chiffrement des communications et authentification ; Confidentialité et sécurité d'accès ; Réutilisation des fréquences et multiplexage (FDMA/TDMA) ; Transmission numérique (plus grande intégration) ; Services de type RNIS. Tous ces éléments ont favorisé l’essor des réseaux GSM à travers le monde entier. II- EVOLUTION TECHNOLOGIQUE DE LA NORME GSM Le réseau GSM est adéquat pour les communications téléphoniques de parole. En effet, il s'agit principalement d'un réseau commuté, à l'instar des réseaux ``fixes’’ et constitués de circuits, c'est-à-dire de ressources allouées pour la totalité de la durée de la conversation. Rien ne fut mis en place pour les services de transmission de données. Or, parallèlement au déploiement du GSM, les réseaux de transmission de données se développaient avec l’avènement du réseau mondial appelé Internet. Plusieurs aménagements ont donc été effectués pour permettre aux usagers des réseaux GSM de pouvoir transmettre des données à un débit acceptable ; Ainsi, comme le réseau GSM ne convenait guère pour la transmission de données, les évolutions récentes ont visé à accroître la capacité des réseaux en termes de débit tout en élargissant les fonctionnalités en permettant par exemple l'établissement de communications ne nécessitant pas l'établissement préalable d'un circuit. Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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Pour dépasser la borne des 14,4 kb/s, débit nominal d'un canal téléphonique basculé en mode de transmission de données, l'ETSI a défini un nouveau service de données en mode paquet : le General Packet Radio Service (GPRS) qui permet l'envoi de données à un débit théorique de 171,2 kbits/s par mise en commun de plusieurs canaux. Le GPRS a été lui aussi réaménagé pour donner le EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) qui permet d’atteindre des débits théoriques de 474Kbits/s. D'une certaine manière, le GPRS préparait déjà l'arrivée de la téléphonie de troisième génération, appelée Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), qui permettra d'atteindre un débit de 2 Mb/s.


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CHAPITREII : ARCHITECTURE DES RESEAUX GSM I- STRUCTURE DU RESEAU L’architecture des réseaux GSM est organisée autour de trois sous systèmes : o Le sous système radio BSS (Base Station Sub-system) o Le sous système réseau NSS (Network Sub-system o Le sous système d’exploitation et maintenance OSS (Operation Sub-System). La figure suivante présente une vue synoptique d’un réseau GSM.


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II- LES SOUS SYSTEMES DU GSM

A- LE SOUS SYSTEME RADIO BSS (Base Station Sub-system) Le sous système radio est l’ensemble constitué par les stations de bases (BTS), les contrôleurs de stations de base (BSC) et les transcodeurs du réseau GSM. 1- Mobile MS et Station de Base a) Mobile Station MS L’ensemble Mobile + carte SIM constitue la station mobile. On en distingue trois types : - Embarqué : Classe 1 (20 W) - Portable : Classe 2 (8 W) - Portatif: Classe 3 (5 W), Classe 4 (2 W) et Classe 5 (0.8 W). Tout mobile est un ensemble de quatre modules à savoir :

- Module radio : il assure l’émission, la réception, la modulation, la démodulation et la synthèse des fréquences. - Module de Traitement : il contrôle le module radio, assure le traitement du signal, le codage et le décodage des informations, le chiffrement, la protection et la correction des erreurs. - Module d’Alimentation : il sert d’interface entre la batterie et le circuit d’alimentation électrique du mobile. - Module d’interface Usager : il est constitué du clavier, écran et du logiciel d’interface Homme-Machine. L’antenne, interne ou externe assure l’interfaçage physique du mobile avec le réseau. Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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Les MS sont complexes du fait du nombre élevé de lignes de codes (les MS TACS /AMPS ont 10 000 Lignes de code, les MS GSM 100 000 et les MS 3G 1 000 000 lignes de code). Leur importance est d’autant grande qu’ils ont 40-50% d’impact sur la qualité de service. La principale fonction de la carte SIM est de contenir et de gérer une série d'informations. Elle se comporte donc comme une mini-base de données dont les principaux champs sont fournis dans le tableau suivant : Paramètres

Commentaires Données administratives

PIN/PIN2

Mot de passe demandé à chaque connexion

PUK/PUK2

Code pour débloquer une carte

Langage

Langue choisie par l'utilisateur Données liées à la sécurité

Clé Ki

Valeur unique, connue de la seule carte SIM et du HLR

CKSN

Séquence de chiffrement Données relatives à l'utilisateur

IMSI

Numéro international de l'abonné

MSISDN

Numéro d'appel d'un téléphone GSM Données de ``roaming'' Numéro attribué temporairement par le réseau à un abonné

TMSI Location updating status

Indique si une mise à jour de la localisation est nécessaire Données relatives au réseau

Mobile Country Code (MCC), Mobile Network Code (MNC), etc Numéros de fréquence absolus

Identifiants du réseau mobile de l'abonné Fréquences utilisées par le PLMN


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La figure ci-dessus présente les deux formats de cartes SIM :

L'identification d'un mobile s'effectue exclusivement au moyen de la carte SIM. En effet, elle contient des données spécifiques comme le code PIN (Personal Identification Number) et d'autres caractéristiques de l'abonné, de l'environnement radio et de l'environnement de l'utilisateur. L'identification d'un utilisateur est réalisée par un numéro unique (IMSI, International Mobile Subscriber Identity) différent du numéro de téléphone connu de l'utilisateur (MSISDN, Mobile Station ISDN Number), tous deux étant incrustés dans la carte SIM. b) Base Transceiver Station (BTS) Elle permet le dialogue avec le mobile sur l'interface Air (aussi appelée interface Radio ou interface Um). Ses principales fonctions sont : - Contrôle de la couche physique (couche 1 de l'interface radio) : transmission de la parole et des données, transmission discontinue, ordres de contrôle de puissance et de handover... - Mesures des interférences sur les canaux non alloués à des communications (idle channels) ; - Mesures sur la liaison montante (uplink), servant à l'algorithme de décision du handover ; - Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle, selon la distance qui sépare la BTS du mobile ; - Détection des demandes d'accès des mobiles reçus sur le canal de contrôle commun (RACH) ; - Détection des messages de handover access (HO ACCESS). La station de base BTS est équipée d’un ensemble d’émetteurs récepteurs TRX qui fonctionnent sur des points de fréquences et assurent la couverture radio électrique d’une zone de couverture appelée cellule. Ils assurent :


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L’Emission/Réception radio (Modulation, démodulation, égalisation, entrelacement) ; - La gestion de la couche physique (Emission en TDMA, saut de fréquence lent, codage, chiffrement) ; - La gestion de la couche liaison (LAPDm). Le nombre de TRX par cellule est limité à 16. On distingue deux types de BTS : • BTS omnidirectionnelles possédant une seule antenne rayonnant de la même manière dans toutes les directions et • BTS sectorielles ayant deux ou trois secteurs (cellules) géré chacun par une antenne ; les antennes sont donc installées de sorte à avoir un écart de 120° par entre deux antennes quelconques. Graphiquement, on représente une cellule par un hexagone car cette forme approche celle d'un cercle. Cependant, en fonction de la nature du terrain et des constructions, les cellules n'ont pas une forme circulaire. -

O

Cellule de BTS Omnidirectionnelle

Cellules de BTS Sectorielle

La figure suivante présente les éléments composant une BTS.


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PDM=Power Distribution Module CMM=Control and Maintenance Module FCU=Fan Control Unit AEM=Antenna Equipment Module LMT=Local Maintenance Terminal Les tableaux suivants présentent différentes classes de BTS et leurs puissances. Classe de BTS GSM et puissances correspondantes CLASSE 1 2 3 4 5 6 7 8

PUISSANCE (W) GSM 900 DCS 1800 320 20 160 10 80 5 40 2 ,5 20 10 5 2,5

Classe de micro BTS GSM et puissances correspondantes CLASSE M1 M2 M3

PUISSANCE (W) Puissance Moyenne Puissance Maximum 0,08 0,25 0,03 0,08 0,01 0,03

2- Le BSC (Base Station Controler) Le contrôleur de station de base BSC est l’élément central du sous système BSS, il assure :  L’attribution et la libération des ressources radio ;  La commande des niveaux de puissance des BTS et des stations mobiles en utilisant les rapports envoyés par les BTS ;  Le transport, éventuellement transparent, des communications et des signalisations vers le MSC ;  L’exécution du Handover ;  La collecte et le traitement des mesures remontées par les BTS.


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Un BSC gère quelques dizaines à quelques centaines de BTS mais son dimensionnement s’effectue en fonction du nombre de TRX. Un élément très important du sous-système BSS est le transcodeur TC ou TRAU (Transcoder Rate Adaptation Unit) ; c’est un équipement qui assure la conversion entre le codage de la parole spécifique au GSM et le codage standard sur le réseau fixe, ainsi que l’adaptation au débit. Fonctionnellement intégré à la BTS, le TRAU est pourtant souvent installé à proximité du BSC ou du MSC pour des raisons d’économie en liens de transmission. Ceci permet de multiplier jusqu’à quatre connections simultanées sur un canal à 64 kb/s.

Situation du transcodeur dans un réseau GSM

B- LE SOUS-SYSTEME RESEAU NSS (Network Sub-System) Le rôle principal de ce sous système est de gérer les communications entre les abonnés et les autres usagers qui peuvent être d’autres abonnés, des usagers sur le réseau RNIS ou des usagers de réseaux téléphoniques fixes. Il est composé des éléments suivants : 1- Le MSC (Mobile-service Switching Center) : Le MSC ou centre de commutation mobile gère l’établissement des communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages court et l’exécution du handover lorsqu’il y est impliqué. Il dialogue avec le VLR pour gérer la mobilité des usagers : vérification des caractéristiques des abonnés visiteurs lors d’un appel départ, transfert des informations de localisation,… Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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Un commutateur fournit aux abonnés trois familles de services qui sont :  Des services de supports  Des télé-services  Des services supplémentaires Lorsqu’un abonné du réseau fixe (RTCP) désire appeler un abonné GSM, le central du RTCP raccordera l’appel à une passerelle (gateway), un appel entre MS utilise également la fonction. Ce gateway est souvent réalisé dans un MSC, ce dernier est alors appelé « gateway MSC » (GMSC) et il peut s’agir de n’importe quel MSC du réseau GSM. Le GMSC doit déterminer la localisation du MS appelé, ce qui se fait en interrogeant le HLR où le MS est enregistrée. Le HLR répond en indiquant l’adresse du MSC où le MS se trouve actuellement, le GMSC peut alors réacheminer l’appel vers le MSC adéquat. Lorsque l’appel arrive au MSC, le VLR saura de façon plus précise l’endroit où le MS appelé se situe et l’appel pourra être établi. 2- Le HLR (Home Location Register) Le HLR ou enregistreur de localisation nominal est la base de données qui gère les abonnés d’un PLMN donnée. D’une part, il mémorise les caractéristiques de chaque abonné :  L’identité internationale de l’abonné utilisée par le réseau (IMSI).  Le numéro d’annuaire de l’abonné (MSISDN).  Le profil de l’abonnement (services supplémentaires autorisés, autorisation d’appel international,…). D’autre part, c’est une base de données de localisation. Il mémorise pour chaque abonné le numéro du VLR où il est enregistré, même dans le cas où l’abonné se connecte sur un PLMN étranger. Cette localisation est effectuée à partir des informations émises par le terminal à travers le réseau. L’implantation du HLR peut être centralisée ou décentralisée. Dans le premier cas, un HLR peut gérer plusieurs centaines de milliers d’abonnés et il constitue une machine spécifique. Dans le deuxième cas, il peut être intégré dans les MSC et les données d’un abonné sont alors stockées sur le MSC où il communique préférentiellement. Les échanges de signalisation sont ainsi minimisés. Dans tous les cas d’implantation, à chaque abonné est associé un HLR unique, de façon indépendante de la localisation momentanée de cet abonné. Le réseau identifie le HLR à partir du numéro MSISDN ou de l’identité IMSI de l’abonné. Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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3- Le VLR (Visiteur Location Register) Le VLR ou enregistreur de localisation visiteur est une base de données dynamique qui mémorise les données d’abonnement des abonnés présents dans une zone géographique. Plusieurs MSC peuvent être reliés au même VLR, mais en général, il y en a un seul par VLR. Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR, mais concernent seulement les abonnés mobiles présents dans la zone considérée. Vient se rajouter l’identité temporaire TMSI, le VLR peut avoir une information de localisation plus précise que le HLR. La séparation matérielle entre le VLR et le MSC proposé par la norme n’est que rarement respectée, certains constructeurs intègrent le VLR dans le MSC. Les dialogues nécessaires pour l’établissement d’appel sont alors simplifiés. D’autres établissent un découpage différent entre MSC et VLR en utilisant l’approche « réseau intelligent». Le MSC est alors un commutateur pur sans fonction de traitement d’appel. Un équipement, le RCP (Radio Control Point), assure les fonctions de commande du MSC et du VLR sans posséder de fonction de commutation. Un ensemble de MSC/VLR peut gérer de l’ordre d’une centaine de milliers d’abonnés pour un trafic moyen par abonné de 0.025 Erlang.les MSC sont en général des commutateurs de transit du réseau téléphonique sur lesquels ont été implantés des fonctions spécifiques au réseau GSM. 4- AuC (Authentication Center) Le centre d’authentification AuC, mémorise pour chaque abonné une clé secrète Ki associée à l’IMSI et utilisée pour authentifier les demandes de service et pour chiffrer les communications. Un AuC est en général associé à chaque HLR, auquel il envoie les triplets d’authentification. L’ensemble peut être intégré dans un même équipement. 5- EIR (Equipement Identity Register) L’EIR, est une base de données annexe contenant des identités des terminaux (IMEI : International Mobile Equipment Identity). Elle peut être consultée lors des demandes de service d’un abonné pour vérifier que le terminal utilisé est autorisé à fonctionner sur le réseau. L’identité d’un terminal contient un numéro d’homologation commun à tous les terminaux d’une même série, un numéro identifiant l’usine d’assemblage et un numéro spécifique au terminal. L’EIR peut contenir trois listes : Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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Liste blanche de l’ensemble des numéros d’homologation, Liste noire des équipements volés et interdit d’accès, Liste grise des terminaux présentant des dysfonctionnements insuffisants pour justifier une interdiction totale. Le réseau peut mémoriser l’identité IMSI d’un abonné utilisant un terminal inscrit en liste noire ou grise et la transférer au système d’administration pour permettre d’identifier les accès frauduleux. -

6- Autres entités du NSS Serveurs : SMS-C : Short Message Service Center assure la gestion des services de messagerie court ; MMS-C : Multi Média Message Service Center assure la messagerie multimédia ; VMS-C : Voice Message Service Center pour la gestion des services de messagerie vocale ; CCBS : Customer Care and Billing System assurant la gestion de l’enregistrement des abonnés post-payés, la gestion des cartes SIM, la facturation,… IN : Intelligent Network assure la gestion des abonnés pré-payés.

C- LE SOUS SYSTEME D’EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE OSS L’OSS, Operation Sub-System est l’interface de gestion de tout le réseau GSM L’administration de réseau comprend toutes les activités qui permettent de mémoriser et de contrôler les performances et l’utilisation des ressources de façon à offrir un certain niveau de qualité aux usagers. Les différentes fonctions d’administration comprennent :  L’administration commerciale (déclaration des abonnés, des terminaux, facturations, statistique).  La gestion de la sécurité (détection d’intrusion, niveau d’habilitation).  L’exploitation et la gestion des performances (observations du trafic et de la qualité, changement de configuration pour s’adapter à la charge du réseau, surveillance de mobiles de maintenance).  Le contrôle de la configuration du système (mise à niveau de logiciel, introduction de nouveaux équipements et de nouvelles fonctionnalités). Le système d’administration du réseau GSM est proche du concept TMN (Télécommunications Management Network) qui a pour objet de rationaliser Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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l’organisation des opérations d’exploitation et de maintenance et de définir les conditions techniques d’une supervision efficace et économique de la qualité de service. Architecture du TMN La complexité actuelle d’un réseau nécessite des outils d’administration qui représentent son état et sa configuration sous des formes convivialesreprésentation graphique des équipements, histogrammes de charge, etc. l’ensemble des fonctions nécessaires est le « système d’exploitation » (operation system). Ce niveau d’administration globale doit être indépendant des équipements. Il est donc nécessaire d’intégrer des équipements de médiation entre les équipements du réseau (BTS, BSC, MSC,…) et le système d’exploitation. Ceux-ci ont pour objet de présenter sous des formes standardisées les différents éléments du réseau et de dialoguer avec le système d’exploitation par un protocole standard. L’ensemble formé par les équipements de médiation, le système d’exploitation et les réseaux de transport utilisés forme le réseau d’exploitation des télécommunications, TMN, représenté à la figure suivante.

TMN

Système d’exploitation Réseau de données Equipement de médiation

Réseau de données

BTS

BSC

MSC/VLR

HLR AuC


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Présentation de l’OMC et du NMC : Le NMC permet l’administration générale de l’ensemble du réseau par un contrôle centralisé, alors que les OMC permettent une supervision locale des équipements. Plusieurs OMC vont, par exemple, superviser des ensembles de BSC et de BTS sur différentes zones. D’autres OMC vont superviser les MSC et VLR. Les incidents mineurs sont transmis aux OMC qui les filtrent. Les incidents majeurs vont remonter jusqu’au NMC. Le découpage entre OMC et NMC n’est pas défini pour l’ensemble des fonctions d’administration dans la norme. Le NMC correspond en général au système d’exploitation du TMN. Les différents OMC assurent les fonctions de médiation. Ainsi l’OMC se subdivise en deux : l’OMC-R et l’OMC-S. L’OMC-R (OMC-Radio) permet la gestion, la supervision et la maintenance de l’ensemble des BTS et BSC du réseau BSS. Quant à l’OMC-S, il assure les mêmes tâches pour les organes du sous système NSS.

D- PROTOCOLES ET PROCEDURES GSM 1- Les interfaces Les interfaces sont constituées de l’ensemble des supports physiques et protocoles permettant aux différentes entités du réseau de dialoguer entre eux. La figure suivante présente les principales interfaces du réseau GSM.

B

MS


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2- Echange de signalisation à travers les interfaces La figure suivante présente une synthèse de l’échange de signalisation dans les réseaux GSM.

On peut identifier cinq couches au niveau de l’interface Um, comme l’indique la figure ci-dessous :

La couche1 (Physique) assure la transmission radio ; il s’agit des canaux RF. La couche2 est le LAPD modifié (LAPDm). La couche3, elle regroupe trois sous-couches (RR, MM et CM). Le RR : Radio ressources Management assure la communication entre le MS et le BSS (Allocation de TCH et SDCCH) ; Le MM : Mobility Management assure la gestion de la mobilité (localisation, authentification,….) ; -


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Le CM : Call Management est encore constitué de trois sous-parties : o CC : Call Control o SS : Supplementary Services o SMS : Shurt Message Service La figure suivante montre les relations entre les différentes couches.

3- Plan de numérotation Plusieurs types de numérotation sont utilisés dans les réseaux GSM. Le MSISDN : Mobile Station ISDN Number, est l’identité du mobile dans le plan de numérotation téléphonique du réseau fixe (RTCP/RNIS) qui est une recommandation E.164 du CCITT. C’est le numéro qui identifie un abonné mobile dans le, seul le HLR contient la table de correspondant entre le MSISDN et IMSI d’un abonné. Le MSISDN ne doit pas dépasser 15 chiffres ; Il comporte 3 champs : - Le champ CC (Country code) : indicatif du pays où est abonné le mobile comme 229 pour le Bénin. - Le champ NDC (National Destination Code) le numéro du PLMN dans un pays. - Le champ NS (Sebscriber Number) : le numéro attribué à un abonné.


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CC

NDC

SN NMN MSISDN

L’IMSI : International Mobile Station Identity est une numérotation dans le réseau GSM, recommandation E.212 du CCITT. L’IMSI est composé de trois parties comme indiqué sur la figure ci-desous : -

MCC

MNC

MSIN

NMSI : National Mobile Subscriber Identity

MCC : Mobile Contry Code, il est égal à 616 pour le Bénin ; MNC : Mobile Netwirk Code, égal à 01 pour le réseau Libercom par exemple ; MSIN : Mobile Station Identity Number qui désigne chaque abonné du réseau ; NMSI : National Mobile Station Identity. - Le TMSI : Temporary Mobile Station Identity est une identité temporaire attribuée par le réseau au MS, ceci afin de transmettre la véritable identité du mobile (IMSI) le moins souvent possible pour des raisons de sécurité. Normalement c'est seulement à l'allumage du mobile que l'IMSI est transmise afin de se faire attribuer un TMSI. - Le MSRN : Mobile Station Roaming Number, est une adresse provisoire attribuée par le VLR au MS lors de l’établissement d’un appel vers la station mobile. Le MSRN a la même structure que le MSISDN.


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4- Synoptiques d’appels dans les réseaux GSM a) Identités utilisées dans un appel

b) Appel sortant Procédure d’appel


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Etablissement de la liaison

c) Appel entrant


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Etablissement de la liaison

d) Appel international d1-Appel international sortant


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d2) Appel international sortant

e) Recherche d’abonné en roaming e1) Cas de roaming sans routage optimal


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e2)Roaming avec routage optimal


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CHAPITRE III- QUELQUES CONCEPTS DE BASE DE LA NORME GSM I-

LE CONCEPT CELLULAIRE 1- La notion de cellule

La limitation des ressources radio implique un usage judicieux pour pouvoir prendre tout le trafic disponible. Le concept de cellule consiste en effet à diviser le territoire en de petites zones, appelées cellules, et de partager les fréquences radio entre celles-ci. Ainsi, chaque station de base gère une ou plusieurs cellules (Trois au maximum) auxquelles on associe un certain nombre de canaux de fréquences à bande étroite. Afin d'éviter les interférences, ces fréquences ne peuvent pas être utilisées dans des cellules adjacentes. Ainsi, on définit des motifs, aussi appelés clusters, constitués de plusieurs cellules, dans lesquels chaque fréquence est utilisée une seule fois. La figure ci-dessous montre un motif cellulaire.

Afin de permettre à un utilisateur passant d'une cellule à une autre de garder sa communication, il est nécessaire que les zones de couverture se recouvrent de 10 à 15%, ce qui renforce la contrainte de ne pas avoir une même bande de fréquences dans deux cellules voisines. 2- La réutilisation des ressources radio Les fréquences allouées à chaque opérateur sont en nombres limité. L’opérateur peut réutiliser ces canaux de fréquence d’une manière particulière


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très judicieuse et rigoureuse. Soit D la distance entre le milieu de la première cellule et sa réutilisation :

1

N : Nombre de canaux disponible R : Rayon de la cellule

R

D

3

2 1 2

3

2

1 2

1

3

2

1

3

3

1 2

3

D est la distance minimum à laquelle on peut réutiliser les ressources radio sans risque d’interférence entre abonnés de cellules utilisant les mêmes fréquences. Toujours pour éviter les interférences entre cellules utilisant les mêmes fréquences, il est également possible d'asservir la puissance d'émission de la station de base en fonction de la distance qui la sépare de l'utilisateur. Le même processus du contrôle de la puissance d'émission est également appliqué en sens inverse. En effet, pour diminuer la consommation d'énergie des mobiles et ainsi augmenter leur autonomie, leur puissance d'émission est calculée en fonction de leur distance à la station de base. Grâce à des mesures permanentes entre un téléphone mobile et une station de base, les puissances d'émission sont régulées en permanence pour garantir une qualité adéquate pour une puissance minimale. Il faut noter que la taille des cellules n'est pas la même sur tout le territoire. En effet, celle-ci dépend de : Nombre d'utilisateurs potentiels dans la zone, La configuration du terrain (relief géographique, présence d'immeubles, ...), La nature des constructions (maisons, buildings, immeubles en béton, ...) et La localisation (rurale, suburbaine ou urbaine) et donc de la densité des constructions.


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3- Zone de couverture des réseaux GSM La figure suivante présente les différentes types de zones de couverture d’un opérateur GSM.

II- LE CONCEPT DE MOBILITE La mobilité des abonnés dans un réseau cellulaire a deux conséquences : • Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné se trouve. C'est la fonction de gestion de localisation. • Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une cellule à une autre (transfert inter-cellulaire, communément appelé handover). A- LA LOCALISATION ET LA SELECTION / RESELECTION DE CELLULE

1- La localisation La localisation permet au réseau de connaître à tout moment la position du mobile avec plus ou moins de précision. Pour cela, l’opérateur définit des zones de localisation (LA : Location Area) qui sont des portions de la zone de service MSC/VLR. On distingue deux cas de mise à jour de localisation. Mise-à-jour de localisation périodique (Time-Based) : dans ce cas le mobile envoie son identité périodiquement au réseau. Elle est simple mais implique une consommation de ressources indépendante de la mobilité de l’usager.


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Mise-à-jour de localisation sur changement de zone (Distance-Based) : Le principe consiste à ce que : - Le mobile écoute les informations diffusées par le réseau ; - Il enregistre le numéro de sa zone de localisation ; - Si ce numéro est différent du dernier numéro stocké alors il y a mise à jour de localisation. Son avantage réside dans le fait que la mise-à-jour est déclenché uniquement dans les cas où le mobile se déplace. Généralement, les réseaux combinent les deux types de mise-à-jour de localisation. Ainsi, les stations mobiles (Portables) se déplacent librement dans une LA sans devoir remettre à jour leurs informations de localisation mais ils le font à intervalle régulier définit par l’opérateur et à chaque fois qu’ils changent de zone de localisation. 2- La sélection/resélection de cellules La sélection/resélection de cellules permet au mobile même en veille de pouvoir dialoguer avec le réseau afin d’être apte en tout temps à émettre ou recevoir d’éventuels appels. Elle se cale en effet sur une cellule, écoute une voie balise et surveille son environnement. Elle doit écouter l’ensemble des porteuses du système GSM et mesurer le champ reçu en réalisant une moyenne sur plusieurs mesures ; Elle sélection en plus sur liste en mémoire, six des voies balises du réseau sélectionné (parmi les BCCH des cellules voisines). Lorsque le signal reçu en veille s’affaiblit et dépasse un certain seuil, le mobile se cale sur la voie balise la plus forte puis : o Vérifie le réseau, o Regarde si la cellule est autorisée (Pas de surcharge), o L’affaiblissement entre MS et BTS. Si la cellule est convenable, la MS lit l’identité de la zone de localisation LAC et s’inscrit si nécessaire. Une fois l’inscription acceptée, elle se cale sur la voie balise en attente d’un appel éventuel et en surveillance constante pour détecter une sortie de cellule. Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent avec les ressources d’un autre opérateur.


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B- LES HANDOVERS Le Handover est un processus qui assure les transferts de communications en cours tout en maintenant une qualité de communication suffisante entre le mobile et le réseau à travers un changement de fréquences et de cellules. Le Handover a pour fonctions : - De permettre aux usagers de se déplacer en cours d’appel ; - D’éviter la rupture du lien radio ; - De minimiser les interférences ; - D’optimiser l’utilisation des ressources radio ; - D’équilibrer la charge de trafic entre les cellules ; - De baisser la consommation en énergie des mobiles. Selon les équipements BTS, BSC gérant les différentes cellules entre lesquelles s’effectue le handover, on parle de handover intra BTS, intra BSC ou inter BSC ; Ce dernier fait intervenir le MSC. La figure suivante présente une synoptique de l’exécution d’un handover.

C- GESTION DE LA SECURITE DANS LES RESEAUX GSM Pour éviter les écoutes frauduleuses des communications, le système GSM utilise les moyens suivants : - Authentification de l'abonné avant l'accès aux services du réseau ; - Le cryptage des communications (chiffrement). - L'utilisation d'une identité temporaire (TMSI = Temporary Mobile Station Identity).


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1- L’authentification Pour éviter que des intrus communiquent sur le réseau, la norme GSM a prévu une procédure permettant d’authentifier les abonnés à chaque tentative d’accès au réseau. Le HLR/AuC de chaque opérateur et chaque carte SIM du réseau correspondant contiennent en effet des informations telles que : la clé Ki, des algorithmes A3, A5 et A8. Pour authentifier un abonné, le réseau lui envoi un nombre aléatoire RAND sur lequel il effectue une opération avec la clé Ki et l’algorithme A3 pour obtenir un résultat SRES qu’il renvoi au réseau. Celui-ci ayant les mêmes clés et algorithmes effectue aussi de son côté la même opération sur le nombre RAND envoyé. Il compare alors son résultat à celui reçu du mobile. S’il y a égalité, l’abonné est authentifié sinon il est rejeté. La figure ci-dessous résume la procédure :

2- Le chiffrement Le chiffrement a pour but de protéger la communication des abonnés sur l’interface radio. En effet, pour éviter que les communications ne soient interceptées sur l’interface radio, il est nécessaire que les informations échangées soient cryptées. Le cryptage se fait suivant deux étapes : -L’établissement de la clé de chiffrement Kc : Elle se calcule en utilisant la clé Ki, un nombre RAND et l’algorithme A8 tous présents dans la carte SIM et au niveau du réseau.


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-L’activation du chiffrement : L’activation du chiffrement se fait sur la demande du MSC. Elle est effectuée grâce à l’algorithme A5 implanté dans la BTS et la clé Kc. Les figures suivantes présentent une synoptique de l’élaboration de la clé Kc.

Elaboration de la clé d’authentification

CHAPITRE IV- GESTION DES RESSOURCES RADIO DA NS UN RESEAU GSM A- LES BANDES DE FREQUENCES DE LA NORME GSM La norme GSM prévoit que la téléphonie mobile GSM occupe trois bandes de fréquences (Bande des 900MHz, bande des 1800MHz et la bande des 1900MHz) ; Notons que seule l’Amérique a adopté la téléphonie GSM dans la bande des 1900MHz. Les bandes des 900MHz et 1800MHz sont utilisées par le GSM de la norme européenne. Ces deux bandes sont en effet exploitées dans les réseaux GSM béninois. Chaque bande est constituée de deux sous-bandes utilisée une pour les communications montantes (du mobile vers la BTS) et l’autre pour les communications descendantes (de la BTS vers le mobile). Le tableau suivant fait une synthèse des caractéristiques de ces deux bandes. CARACTERISTIQUES

GSM 900MHz

DCS-1800 MHz

Bande de fréquences (↑)

890, 2 - 915 MHz

1710 - 1785 MHz

Bande de fréquences (↓)

935, 2 - 960 MHz

1805- 1880 MHz

Nombre d'intervalles de temps par trame TDMA

8

8 Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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Débit total par canal

271 kb/s

271 kb/s

Débit de la parole

13 kb/s

13 kb/s

Débit maximal de données

12 kb/s

12 kb/s

Technique de multiplexage

FDMA et TDMA

FDMA et TDMA

Rayon de cellules

0, 3 à 30 km

0, 1 à 4 km

Puissance des terminaux

2à8W

0, 25 et 1 W

Sensibilité des terminaux

-102 dB

Sensibilité de la station de base

-104 dB

B- LES TECHNIQUES D’ACCES MULTIPLE Deux types de multiplexage sont utilisés dans la norme GSM pour faciliter l’accès multiple des abonnés au réseau. Il s’agit de multiplexage FDMA (Frequency Division Multiple Access) et du multiplexage TDMA (Time Division Multiple Access). 1- Le multiplexage FDMA Connaissant les différents canaux disponibles, il est possible d'effectuer un multiplexage fréquentiel pour obtenir des fréquences porteuses à attribuer aux émetteurs/récepteurs des stations de base. En effet, les bandes de fréquences (up-link et down-link) sont divisées en des intervalles de 200Khz qui constituent les canaux de fréquences allouées aux TRX. Ainsi, dans la bande des 900Mhz, on obtient 124 canaux duplex et dans la bande des 1800Mhz, 374 canaux duplex. Pour faciliter la désignation de ces fréquences, il existe des formules permettant de leur faire correspondre des nombres entiers. Ainsi, si on désigne par Fu les fréquences porteuses montantes et par Fd les fréquences porteuses descendantes, les valeurs de fréquences porteuses données par : GSM Up-link Down-link :

: Fu (n) =890, 2 + 0, 2 x (n-1) MHz Fd (n) = 935, 2 + 0, 2 x (n-1) MHz Avec 1≤ n ≤124

DCS Up-link : Down-link :

Fu (n) =1710, 2 + 0, 2 x (n-512) MHz Fd (n) = 1805, 2 + 0, 2 x (n-512) MHz

Avec 512 ≤ n ≤ 885


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Ces nombres entiers n sont appelés ARFCN (Absolut Radio Frequency Number). On a donc les 124 canaux de la bande des 900MHz qui vont de 1 à 124 et les 374 canaux de la bande des 1800MHz de 512 à 885. 2- Le multiplexage TDMA Le multiplexage TDMA consiste à diviser chaque canal obtenu avec le FDMA en trames de 8 intervalles de temps ; Ainsi, avec le TDMA, il est par exemple possible de faire parler huit utilisateurs l'un après l'autre dans le même canal. On multiplie donc le nombre de canaux disponibles par unité de temps par huit.

Ces Intervalles de Temps IT (Time Slot TS) obtenus constituent des canaux physiques sur lesquels on configure différents types de canaux logiques utilisés dans la norme GSM.

C- LES CANAUX LOGIQUES L’interface radio étant la partie du réseau la plus vulnérable, il a été prévu un certain nombre de fonctions de contrôle de nature variée pour que le mobile se rattache à une BTS favorable, pour établir une communication, pour surveiller son déroulement et assurer des commutations de cellules en cours de communication. Ces fonctions engendrent des transferts de données : informations système, relevés de mesures, messages de contrôles. Pour transmettre ses données, plusieurs canaux logiques ont été définis pour les différents types de fonction. Le tableau suivant fait le point de ses canaux logiques exploités dans la norme GSM.


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TYPE Broadcoast CHannel : BCH (↓)

NOM Frequency Correction CHannel : FCCH ↓ Synchronisation CHannel : SCH (↓) Broadcoast Control Channel: BCCH (↓) Paging CHannel : PCH (↓)

Common Control Channel : CCCH (↓) (↑)

Random Access Channel : RACH (↑) Access Grant Channel : AGCH (↓) Cell Broadcoast Channel : CBCH (↓)

Dedicated Control Channel DCCH (↓)

Trafic CHannel TCH (↓)

Stand-Alone Dedicated Control CHannel : SDCCH (↓)

FONCTION Calage sur fréquence porteuse Synchronisation (en temps) + Identification Information système Appel du mobile Accès aléatoire du mobile pour effectuer une opération sur le réseau Allocation de ressources Messages courts (SMS) diffusés (informations routières, météo…) Signalisation

Slow Associated Control CHannel : SACCH (↓)

Supervision de la ligne

Fast Associated Contol CHannel : FACCH (↓)

Exécution du handover

Trafic CHannel for coded speech : TCH (↓)

Voix plein/demi débit

Trafic CHannel for data (↓)

Données utilisateur

1- Fréquence balise BCH (Broadcast channel) Le réseau GSM s’appui sur le concept de la voie balise qui est choisie parmi les porteuses attribuées à l’opérateur : - Elle est propre à la station de base. - Elle est émise en permanence. - Le MS mesure périodiquement sur cette voie le niveau de signal qu’il reçoit - Le MS mesure son éloignement de la station. - La voie balise comprend essentiellement des signaux de forme spécifique et des infos systèmes qui permettent de savoir :  Identité du réseau  Calage en fréquence  Calage en temps - Scrutation en permanence Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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-

Sur la fréquence descendante, on : o Emission en permanence d’un signal modulé en puissance o Ensemble de canaux logiques de diffusion BCH (Broadcast Channel)

2- Les canaux logiques non dédiés Ce sont des canaux simplex, partagés par un ensemble de mobiles. Sur la voie descendante (en générale la voie balise) les MS sont à l’écoute du canal. Sur la voie montante, on retrouve la fonction d’accès multiple. Le slot supportant la fonction d’accès aléatoire (Random Access) est à priori disponible à un ensemble de mobiles. Chacun peut émettre et les collisions sont résolues par les méthodes classiques de résolution de contentieux. Sur la voie balise Slot 0, on retrouve les canaux logiques FCCH, SCH, BCCH, AGCH, PCH, CBCH. a) FCCH (Frequency Correction Channel) Le canal FCCH consiste en un burst particulier émis environ toutes les 50 ms. Le message règle le décalage en fréquence du à la modulation GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying). b) SCH (Synchronisation Channel) Il a pour objet de fournir aux mobiles tous les éléments nécessaires à une synchronisation complète ; il caractérise la voie balise par un marquage spécial (séquence d’apprentissage) : Synchronisation fine : aide à la détermination du TA ; Synchronisation logique : détermination du FN (Frame Number). Il s’agit de mettre le compteur de trame FN mobile à jour avec celui de la BTS. Il est possible que l’on arrive à capter le signal sur 2 balises éloignées (même fréquence). Il faut donc le différencier par le BSIC (3bits d’identification de la BTS, Base Station Color Code BCC, 3 bits d’identification du réseau, Network Color Code NCC). c) BCCH (Broadcast Control Channel) Ce canal diffuse les données caractéristiques de la cellule ; il assure en effet la diffusion régulière d’informations système de plusieurs types et contient les règles d’accès à la cellule. Il Permet au mobile s’il peut se mettre en veille sur la cellule, après une mise sous tension ou après y être entrée (Niveau minimal de signal exigé, niveau maximal de puissance autorisé, hystérésis nécessaire pour la re-sélection de cellules (2 diffusion/seconde) ; Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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Le numéro de zone de localisation LA permet au mobile de savoir si une inscription est nécessaire. (2 diffusion/seconde). Les paramètres RACH donnent les règles d’accès aléatoire. De plus, ils permettent d’interdire une cellule à tous les mobiles et de la réserver par exemple uniquement à l’accueil de handover (4 diffusion/seconde). D’autres informations diffusées chaque seconde, permettent aux mobiles de se mettre en conformité avec l’organisation de la cellule : - Description de l’organisation des canaux de contrôle commun indique aux MS les slots à écouter pour détecter les appels diffusés. - La description de l’organisation du canal CBCH permet au MS de recevoir les messages utilisateurs diffusés. - La description des cellules voisines donne les fréquences des voies balises des cellules voisines. - La liste des porteuses allouées à la BS est nécessaire au MS lorsqu’il est en communication et que le saut de fréquence est activé. - De plus, un ensemble de paramètres nécessaire à différentes fonctions liées au déroulement des communications est diffusé : Contrôle de puissance, valeur de hors temp. - Chaque BS diffuse également son identité complète (CI, Cell Identity) au sein de la zone de localisation. d) RACH (Random Access Channel) Si le mobile veut effectuer une opération sur le réseau (localisation, envoi de messages courts, appel d’urgence, appel normal…), il doit le signaler au réseau. Pour cela, il envoie une requête très courte codée sur un seul burst vers la BTS. Cette requête est envoyée sur des slots particuliers en accès aléatoire. L’ensemble de ces slots constitue le RACH. Le burst utilisé est plus court que le normal pour tenir compte du délai de propagation. e) AGCH (Access Grant Channel) Lorsque l’infrastructure reçoit une requête de la part d’un mobile, il lui faut allouer un canal de signalisation dédié pour identifier le mobile. Le message d’allocation contient la description complète du canal de signalisation utilisé : N° de porteuse et N° de slot. f) PCH (Paging Channel) Lorsque l’infrastructure désire communiquer avec un mobile (pour un appel, un message court, une authentification), elle diffuse l’identité du mobile,


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sur un ensemble de cellules. Le mobile répond par un RACH sur la cellule où elle est. g) CBCH (Cell Broadcast Channel) Il permet de diffuser aux usagers présents dans la cellule, des informations spécifiques (info routière, météo…). Utilisation marginale. 3- Les canaux logiques dédiés Ces canaux fournissent une ressource réservée à un mobile. Sur une paire de fréquences, un slot parmi 8 est alloué à une communication avec un mobile donné. Cette paire de slots forme un canal physique duplex. Le mobile se voit attribuer dans une structure multi-trame une paire de slots (uplink ↑ & downlink ↓) dans lequel il est le seul à transmettre et à recevoir. Dans la même cellule, aucun autre mobile ne peut transmettre, ni recevoir dans le même slot et à la même fréquence. Ce dernier forme la base de deux canaux logiques ; d’abord le TCH (Trafic CHannel) qui porte la voie numérisée, mais aussi un petit canal de contrôle, le SACCH (Slow Associated Control Channel) qui permet principalement le contrôle des paramètres physiques de la liaison. Sur un canal physique on peut placer soit : - TCH avec son SACCH associé (multitrame 26 - SDCCH avec SACCH associé. (multitrame 51) a) TCH (Trafic Channel) La parole est transportée par le TCH : o TCH/FR (Full Rate: TCH plein débit o TCH/HR (Half Rate): TCH moitié ébit o TCH support de données b) SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) Ce canal supporte la signalisation des communications et a un débit plus faible que les TCH (800 bit/s). On a un environ un SDCCH pour 8 TCH. c) SACCH (Slow Associated Control Channel) Une liaison radio est fluctuante, il n’est donc pas possible de dédier un canal à un MS sans le contrôler en permanence. Il faut constamment ajuster les paramètres pour conserver une qualité de service acceptable. Enfin le réseau doit vérifier que le mobile est toujours actif sur le canal. On y retrouve : o Le Timing Advance TA ; o Le Contrôle de puissance d’émission du mobile ; Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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o Le Contrôle de la qualité du lien radio ; o Le rapport des mesures effectuées sur les stations voisines. d) FACCH (Fast Associated Control Channel) Le SACCH est trop lent en cas d’urgence sur un TCH (par exemple le handover), donc on suspend l’émission de la TCH et on envoie le FACCH à la place. Ceci permet de vite envoyer toute la signalisation nécessaire à l’exécution des hanover sans que l’usager ne se rende compte de l’interruption de sa communication. 4- Scrutation Pendant une communication, le mobile ne se contente pas de recevoir et d’émettre une trame TDMA à la suivante. Il met à profit la durée disponible entre l’émission et la réception d’un burst, pour scruter la fréquence balise des cellules avoisinantes. Il ne peut faire, pendant cette phase appelée Monitoring que des mesures de puissance qui ne nécessitent pas de démodulation complète. 5- Groupes de trames Les trames TDMA sont groupées en trames dites multi-trame : o Multitrame26 : 26 trames TDMA d’une durée de 120ms. Cette multitrame supporte les TCH avec leur SACCH et FACCH. o Multitrame51 : 51 trames TDMA d’une durée de 235.4ms. Cette multitrame supporte les canaux SDCCH et les canaux communs. Les supertrames contiennent 26 x 51 = 1326 trames TDMA et dure 6.12s (26 trames de 51 ou 51 trames de 26). Une hypertrame contient 2048 supertrames (soit 2715 648 TDMA). Elle dure 3h 28min 53s 760ms. Chaque trame TDMA à l’intérieur d’une hypertrame est identifié bijectivement par un numéro appelé FN (Frame Number, de 0 à 2 715 647).


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Structure des trames de la norme GSM

6- Les bursts Les bursts sont les informations contenues dans les IT des porteuses du GSM. Il en existe quatre : Le burst de fréquence, le burt d’accès, le burts de synchronisation et le burst normal. Un IT GSM comporte 156,25 bit répartit en plusieurs tranches suivant le type de burst.

a) Le burst de correction de fréquence FCCH Ce burst contient 148 bits à zéro en plus de la période de garde de 8,25 bits.

Structure du burst FCCH


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b) Le burst de synchronisation SCH Le burst SCH est utilisé pour la synchronisation du mobile sur le réseau.

Structure du burst SCH c) Le burst d’accès Le burst d’accès supporte les canaux RACH et FACCH. Il est utilisé pour les accès aléatoires et l’exécution des hand over.

Structure du burst d’accès d) Le burst normal Le burst normal est utilisé pour transmettre les informations des canaux de trafic et de contrôle (BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, CBCH, SACH, FACCH, TCH). Il comporte plusieurs parties comme l’indique la figure ci-dessous.

Structure du burst normal

Un cinquième burst est envoyé en l’absence d’information des autres bursts à transmettre. Il s’agit d’un burst de bourrage en quelque sorte.


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CHAPITREV- LES CONTRAINTES LIEES A L’INTERFACE RADIO I-

LES CONTRAITES LIEES A L’INTERFACE RADIO :

Les ressources radio du GSM sont constituées de liaisons radio (canal de transmission entre émetteurs et récepteurs). Le support de transmission est ainsi assuré par des ondes électromagnétiques. Comme tous les canaux de transmission, ces ressources radio sont soumises aux problèmes posés par le bruit et les perturbations. Ces perturbations sont notamment dues aux propagations multiples et complexes des ondes électromagnétiques dans un canal réel et non stationnaire. Afin de bien dimensionner le réseau GSM et optimiser la gestion des ressources radio, il est nécessaire de comprendre les phénomènes physiques de propagation des ondes électromagnétiques et être capables de prévoir leurs effets. A- Les modes de propagation les plus courants Quatre modes de base existent pour la propagation. Le signal reçu par le mobile ou la station de base BTS est une combinaison de ces quatre modes, il a généralement effectué de nombreux trajets avant d’arriver au récepteur tel que le présente la figure suivante : Transmission directe

Diffraction

Réflexion

Diffusion


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1- La Réflexion : Elles se produisent lorsqu’une onde radio se propage dans un milieu diélectrique, et rencontre une interface avec un autre milieu. La réflexion peut être totale ou partielle, suivant les propriétés du nouveau milieu : •Diélectrique : une partie de l’énergie est transmise et l’autre partie diffractée, sans perte d’énergie. •Conducteur parfait : toute l’énergie est réfléchie, sans pertes d’énergie. Le coefficient de réflexion dépend des propriétés des matériaux, de la fréquence, de l’angle d’incidence, de la polarisation. 2- Diffraction : Elle consiste en la création d’interférences entre l’onde directe d’une source et l’onde dont la direction a été modifiée. Elle entraîne une modification du trajet suivi par une onde. La diffraction existe pour toutes les longueurs d’onde, mais n’apparaît que dans le cas où les dimensions de l’obstacle seraient inférieures à la longueur d’onde. 3- Diffusion : Le phénomène de diffusion peut apparaître dans le cas où un volume comprenant un nombre important d’obstacles, dont la taille est inférieure à la longueur du signal. L’onde électromagnétique est déviée dans de multiples directions de manière statistique, ainsi que la polarisation. Elle apparaît à l’interface entre deux milieux ou quand une onde rencontre une surface pas parfaitement plane et lisse ou à travers des feuillages. 4- Réfraction : La vitesse de propagation d’une onde électromagnétique dépend du milieu de propagation, c’est à dire son indice de réfraction. Le passage de l’onde d’un milieu à un autre conduit à une modification du trajet suivi par les ondes. La combinaison de ces multiples modes de propagation des ondes engendre des perturbations sur les signaux échangés sur l’interface radio.


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B- Les Perturbations de l’interface radio Les perturbations de l’interface radio sont entre autres : l’absorption atmosphérique, la perte de propagation ou pathloss, le fading de masquage ou shadow fading, le fading lent, le Fading rapide ou de rayleigh, la dispersion temporelle ou delay spread, les bruits et les interférences. 1- L’Absorption atmosphérique : Elle consiste en ce que l’onde électromagnétique voit son énergie absorbée et transformée sous une autre forme. Seule l’amplitude du signal est modifiée. Elle est due aux différents gaz présents dans l’atmosphère et à l’influence des particules liquides et solides (pluie, grêle, neige) ; Elle varie avec la fréquence et s’accentue au fur et à mesure que la fréquence monte. Ainsi, contrairement aux BTS 900Mhz ayant des portées de plusieurs kilomètres, les BTS 1800Mhz ne portent que sur environ 4Km au maximum. 2- Perte de propagation ou pathloss En se propageant, l’onde électromagnétique subie une atténuation inversement proportionnelle au carré de la distance parcourue (propagation libre). 3- Fading de masquage ou shadow fading Sur son parcours, le signal rencontre des obstacles de nature diverse qui contribuent à augmenter l’atténuation. Les multiples obstacles rencontrés sur le parcours augmentent en effet l’affaiblissement du signal. 4- Fading lent Le signal subit des réflexions et des diffractions sur des objets de grande taille (immeuble, colline). L’ordre de grandeur des zones d’évanouissement est celui des obstacles : plusieurs dizaines de mètres, pendant plusieurs secondes. 5- Fading rapide ou de Rayleigh Tout signal subit en général le phénomène de multi-trajet. Le signal reçu résulte de la somme de tous les signaux réfléchis, diffractées et directs. Chacun de ces signaux va posséder des caractéristiques (angle d’arrivée, amplitude, phase, fréquence, polarisation) différentes. L’ensemble de ces contributions (principalement la différence de phase) donne lieu à des évanouissements importants (de 2 à 30 dB).


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L’ordre de grandeur des zones d’évanouissement est la longueur d’onde du signal. Transmission Signal reçu

Diffusion / Diffraction

fade temps Réflexion

6- Dispersion temporelle ou delay spread Le phénomène de multi-trajet entraîne aussi une dispersion temporelle des signaux issus des différents trajets. Les signaux issus de la transmission d’un symbole pourront se superposer aux signaux issus de la transmission du symbole précédent ou suivant. Cela conduit à l’apparition d’interférences inter symboles, qui obligent à réduire le débit de données. La figure suivante présente ce phénomène. Les différents trajets arrivant au récepteur

+ time Symbole envoyé par l’émetteur

Symbole reçu T=0

time

7- Les bruits Outre les perturbations dues à l’environnement de propagation, le signal reçu peut aussi être brouillé par des signaux parasites ou bruit, d’origine interne ou externe.


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Le bruit = signal parasite aléatoire, le plus souvent d’origine thermique. Le bruit limite surtout la sensibilité du récepteur en fixant une limite de rapport signal sur bruit S/N (signal/Noise). On parle aussi du rapport de la porteuse sur bruit C/N (Carrier/Noise). La présence de bruit introduit la notion de signal sur bruit afin de déterminer des seuils acceptables. 8- Les interférences : Le bruit a un impact négligeable en comparaison des perturbations créées par les interférences en termes de capacité et qualité de service (QoS). Les interférences sont des brouillages ayant pour origine les émissions de signaux dans la même bande ou proche de celle du système. Les interférences sont particulièrement importantes dans les réseaux cellulaires GSM, basés sur le principe de réutilisation des fréquences. Dans les réseaux cellulaires, on note C/I le rapport du signal utile (Carrier) sur le niveau d’interférence (I). Deux types d’interférences existent : les interférences co-canal et les interférences sur canal adjacent. f1

C I

min

f1

I1 C

C I

C I I3

I1

C I2

I3 I2

f1

f1

Illustration des Interférences Le rapport C/I limite la taille N du motif de réutilisation d’un réseau cellulaire. Le motif étant le plus petit groupe de cellules ne contenant qu’une seule fois les fréquences réutilisées dans le réseau.


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II-

GESTION DES CONTRAINTES DE L’INTERFACE RADIO :

On cherche à optimiser le réseau principalement dans les domaines suivants : Augmentation de l'efficacité spectrale. Réduction de la taille des cellules. A- Augmentation de l'efficacité spectrale : Le système GSM œuvre dans une bande de fréquences limitée. La réutilisation des fréquences est donc nécessaire pour couvrir l'ensemble d'un territoire. Cette réutilisation des porteuses induit un brouillage entre émissions. Pour améliorer l'efficacité spectrale, les opérateurs disposent de plusieurs techniques : 1- Le contrôle de puissance Comme abordé plus haut, la puissance d'émission du signal radio du terminal MS et de la BTS est ajustée en permanence pour limiter les perturbations entre terminaux en communication. Ce mécanisme de réglage de puissance (Power Control) réduit au minimum le brouillage entre les cellules utilisant un même canal radio. 2- Le E-GSM Actuellement, le système GSM travaille dans les bandes de fréquences : -

890-915 MHz pour la voie montante. 935-960 MHz pour la voie descendante.

On dispose alors de 124 couples de fréquences (Fd, Fu). L'EGSM, dans le but d’accroître les ressources a élargi les bandes comme suit : -

880-915 MHz pour la voie montante.

-

925-960 MHz pour la voie descendante.

On bénéficie ainsi de 50 couples de fréquences (Fd, Fu) nouveaux, soit 174 couples de porteuses au total ; Ce qui permet d’avoir un peu plus de ressources radio à déployer afin d'augmenter la capacité du réseau et de résoudre des problèmes d'interférences pour certaines cellules. Notons que l’EGSM n’est pas encore exploité au Bénin.


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3- Gestion de la qualité de service a) Transmission Discontinue DTX Lors des communications, les deux intervenants ne parlent pas en même temps. En outre, les caractéristiques de la parole font apparaître des silences entre chaque mot. On estime que le taux d'inutilisation du canal de transmission est de 60%. Lors des silences, l'émission n'est pas interrompue, mais réduite afin d'émettre le bruit de fond pour que le correspondant ne détecte pas les ruptures. La transmission discontinue (DTX) consiste à réduire le débit d'émission à 260bits/480ms au lieu de 260 bits/20ms. Le mécanisme DTX nécessite donc les fonctions suivantes : - Détection d'activité vocale du côté émetteur. - Evaluation du bruit de fond du côté émetteur pour transmettre les paramètres caractéristiques au récepteur. - Génération du côté récepteur du bruit de fond pendant les silences. Le DTX permet de réduire la consommation des émetteurs, notamment des MS. En outre, il permet également de réduire le niveau moyen d'interférence généré.

4- Le Timing Advance (Décalage temporel des envois) Pour permettre le basculement d'un mobile du mode réception en mode émission, la norme GSM prévoit un décalage de trois (03) slots. Plus précisément, le mobile émet des informations trois slots après réception des signaux envoyés par la station de base. Malgré tout, les informations envoyées par les différents mobiles autour d'une même fréquence porteuse entrent en collision. Pour éviter des collisions, certains mobiles (les plus distants) doivent avancer le moment de leur envoi. La durée de l'avance temporelle de l'envoi est appelée Timing Advance (TA). Elle est fournie dynamiquement par la station de base et est codé sur 64 valeurs différentes. 1TA= 533 mètres. 5- Saut De Fréquence : On distingue en GSM le saut de fréquence simple consistant à changer de fréquence en cas de dégradation du canal utilisé et le saut de fréquence synthétisé. Le saut de fréquences synthétisé consiste à changer de fréquence plusieurs fois lors de l'émission d'un message (par exemple, saut de fréquence au rythme bit) ; Habituellement, le saut de fréquence n'est pas activé pendant la période de déploiement d'un réseau, la charge étant faible. A charge importante, Jean G. AFOKPE Florentin Y. AGOSSOU

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il devrait apporter un accroissement notable des performances. Avec le nombre d’opérateurs élevé au Bénin, les canaux de fréquence surtout dans la bande des 900MHz sont très restreints ; La plupart des opérateurs utilisent donc le saut de fréquences pour pouvoir supporter le trafic disponible sur leur réseau avec une QoS acceptable. Principe : Un canal physique ne siège pas sur une seule porteuse, mais utilise un ensemble de N fréquences qui se succèdent suivant un ordre défini par la séquence de saut. Remarque : Il est nécessaire de disposer au minimum d'un canal physique simplex sans saut de fréquence dans le sens descendant par cellule. Ce canal forme une voie balise pour permettre aux mobiles extérieurs à la cellule de venir écouter le BCCH (pour permettre au MS de se rattacher à la BTS la plus favorable). La séquence de saut est une suite définie sur l'ensemble des N fréquences attribuées à la BTS. Ces N fréquences sont numérotés de 0 à N-1. Un algorithme utilise le N° de trame FN (Frame Number) et un paramètre HSN (Hopping Sequence Number, compris entre 0 et N-1) pour générer une suite pseudo-aléatoire de nombres Ai (compris entre 0 et N-1). Lors de l'allocation d'un canal, la BTS précise au mobile un index MAIO (Mobile Allocation Index Offset, compris entre 0 et N-1 Avantages : - Le SFH apporte une protection contre les évanouissements sélectifs et créé une diversité de brouilleurs. - Protection contre les évanouissements : Dans une agglomération urbaine, les nombreuses façades induisent des ondes réfléchies définissant un réseau d'ondes stationnaires dans lequel un véhicule à l'arrêt peut ne plus recevoir un signal porté par une fréquence particulière: c'est l'effet du fading de Raleigh. En général, les évanouissements sont sélectifs; ainsi, l'utilisation de plusieurs fréquences différentes pour une communication diminue la probabilité de pertes de message par évanouissements. De cette façon, et grâce aux techniques de codage et d'entrelacement spécifiés par la norme GSM, un message perdu sur une fréquence donnée, peut être reconstitué au niveau du récepteur grâce aux informations transportées par les messages transmis sur les autres fréquences.


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- Diversification des brouilleurs : Dans les zones urbaines, les systèmes sont principalement limités par les interférences. L'implantation du saut de fréquence permet de moyenner le niveau d'interférence global sur toutes les porteuses plutôt que d'avoir un niveau de brouillage élevé sur certaines porteuses uniquement. Le saut de fréquence permet donc de considérer le cas moyen et non le pire cas. Le gain apporté par cette technique est d'autant plus important que le nombre de fréquences est grand. Pour obtenir un gain appréciable, il est recommandé de disposer d'au moins 4 fréquences. 6- Half Rate La norme GSM prévoit la possibilité de n'allouer à l'utilisateur qu'un slot toutes les deux (02) trames TDMA. Une allocation de ce type constitue un canal demidébit par opposition au canal plein débit utilisé actuellement (à chaque trame TDMA, on alloue un slot par communication). L'implantation du half rate nécessite des codeurs de parole plus performants à débit réduit. En effet, le codage de la parole est réduit à 5.6kBits/s contre 13Kbits/s en full rate. L'utilisation du half rate permet à l'opérateur de doubler la capacité de son réseau. 7- La diversité d’antenne et diversité de polarisation Cette technique consiste à prévoir une double réception au niveau des antennes de la BTS. Les mobiles actuels fonctionnant au maximum à 2Watt, la probabilité de la perturbation des signaux qu’ils envoient est forte. La diversité d’antenne permet donc de recevoir le même signal au niveau de deux antennes afin de pouvoir les comparer et choisir le meilleur. Malgré les nombreuses perturbations potentielles de l’interface radio, plusieurs techniques existent et permettent de gérer ces contraintes de l’interface radio de la norme GSM. Toute fois, seule une bonne combinaison de ces techniques peut permettre de rationaliser la gestion des ressources radio.


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COURS_GSM_TRII_CFP_2010

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