Plan du coursPanorama réseaux cellulaires : GénérationsPrésentation du réseau radiotéléphoniqueGSM : 2GGPRS : 2,5GUMTS : 3GLTE : 4GGestions Itinéraire , Sécurité & Appels

Panorama et générations

• 1G : 1ère génération : années 80• 2G : 2ème génération : années 90, GSM• 2G+ : GPRS• 3G : 3ème génération : UMTS• 4G LTE 4ème génération .

Réseaux cellulaires mobiles : Générations

> 1G : NMT (Nordisk Mobil Telefoni), AMPS (Advanced Mobile Phone System) : débit analogique

> 2G : GSM (Global System for Mobile Communications) : numérique, commutation de circuit (CS) : débit 9,05 Kbps

> 2,5G : GPRS (General Packet Radio Service) : numérique, commutation de paquet (PS) : débit théorique 171,2 Kbps

> 2,9G : Edge (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) : numérique, PS, modulation rapide : débit théorique 384 Kbps

Réseaux cellulaires mobiles : Générations > 3G : UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) : transmission large bande sur 5 MHz au lieu de 200 Khz avec la 2G : débit théorique de 2 Mbps

> 3,5G : HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) : débit de 14 ,4 Mbps sur 5 MHz

> 3,7G : HSPA Dual Carrier – débit de 28 Mbps sur 5 MHz

> 3,9G : LTE (Long Term Evolution) débit supérieur à 100 Mbps sur 20 MHz

> 4G : LTE-A (LTE-Advanced): débit de 1Gbps sur 100 MHz

Présentation

Un réseau de radiotéléphonie

• Permet des communications entre abonnés mobiles • S’interface avec le RTC (Réseau Téléphonique Commuté) • Doit offrir des facilités d’exploitation et de maintenance • Peut être décomposé en trois sous-ensembles :

– Le sous-système radio (BSS : Base Station Sub-system) assure lestransmissions radio et gère la ressource – Le sous-système d’acheminement (NSS : Network Sub-System)comprend les fonctions nécessaires à l’établissement des appels età la mobilité. – Le sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS :Operation Sub-System) permet à l’exploitant d’administrer sonréseau

Présentation BSS : sous-système radio– BTS : émetteurs-récepteurs– BSC : contrôle BTS et rôle de concentrateur

NSS : sous-système réseau– MSC : commutateurs associés aux VLR– HLR : base de données localisation et profil abonné– VLR : base de données de gestion de la mobilité des abonnés

OSS : sous-système d’exploitation et de maintenance– EIR : Registre d’identité des équipements– AuC : Centre d’authentification– OMC/NMC : Centre d’exploitation & maintenance

GSM :Global System for Mobile : 2G

GSM

GénéralitésLe réseau cellulaireLes composants du réseauLes ondes radioLes multiplexages

GénéralitésGSM = Global System for Mobile communications

Norme adoptée en juin 1986Mise en place dès le début des années 90Débit max. de 9600 bits/sMode commutation de circuit un téléphone = un terminal + une carte à puceSuccès international : présence dans de nombreux

pays....

Le concept de cellules

Le concept de réseau cellulaireConcept de base:

Division du territoire en cellules Partage des ressources radio entre cellules

Cellule : unité géographique du réseau Taille de la cellule variable suivant le relief, la densité d’abonnés… Hiérarchie de cellules (macro-cellules, micro-cellules…)

Chaque cellule possède un émetteur-récepteur Groupe de fréquences radio attribué à chaque cellule Techniques de multiplexage (Frequency Division Multiple Access, Time DMA, Code DMA)

Le concept de réseau cellulaire

Déterminer un motif de réutilisation de fréquences

Motif de réutilisation de fréquences à 7 cellules

Difficulté supplémentaire : itinérance de l’abonné Gestion des transferts entre les stations émettrices des différentes cellules (handover)

Suivant le relief, les portées des émetteurs sont différentes. La taille des cellules dépend également du nombres de communications simultanées à écouler. (fortes atténuations et fort trafic en ville par petite cellule).

zone rurale

zone suburbaine ou

axe routier

zone urbaine

Le concept de réseau cellulaire

La réutilisation des fréquences

Comme le spectre de fréquences disponible (= ressource radio) et la portée des sites sont limités, on réutilise les mêmes fréquences sur plusieurs cellules.

Cette réutilisation se fait de manière à minimiser les interférences (co-canal et canal adjacent). Elle peut se faire suivant un motif ou non.

f1

f5

f4 f3f2

f7

f6

f1

f3

f2

f7

f6

f5

f4motif régulier

à 7 fréquences

Architecture du réseau

Schéma Fonctionnel du Système GSM

BSC

B

T

S

B

T

S

HLR/AUC EIRSC

ISDN

PLMN

PSTN

PSPDN

OMC

BSS(1)

……

BSS （ n ）

MS

A interface

BS interfaceAbis interface

Um interface

Fig.1-1 Structure du Réseau de communication Mobile GSM

MSC/VLR

HLR : Registre des abonnés locaux VLR : Registre des abonnés visiteurs MS: Station Mobile l'ISDN: Réseau numérique à intégration de

servicePSTN:Réseau téléphonique public Commuté PSPDN : Réseau public de données à

commutation de paquets PLMN: Réseau mobile terrestre public

Schéma Fonctionnel du Système GSM

Station Mobile Les stations mobiles ne sont pas affectées

à un seul abonné. Sur n'importe quelle station mobile dans le système, nous pouvons identifier l'abonné avec la carte SIM (module d'identification de l'abonné). Le numéro d'identification personnelle (PIN) peut être employé pour empêcher l'utilisation non autorisée de la carte SIM.

Capacité maximale : 16 porteuses ~100 communications simultanées

Station Mobile

Chaque station mobile a son propre numéro d'identification, c.-à-d,identité internationale d'équipement mobile (IMEI). IMEI comprend principalement le code de permission et le nombre relatif au fabricant du produit.

Chaque abonné a sa propre identité internationale d'abonné mobile (IMSI), qui est stockée dans la carte SIM et dans le HLR .

Station de Base (BTS)

C'est la partie de communication radio du système de station de base. Contrôlé par la BSC, il sert comme équipement d'émetteur-récepteur pour les cellules radio et effectue la communication radio entre BTS et MS par l'interface radio aussi bien que les fonctions de contrôle relatives.

Station de Base (BTS) Le canal de transmission : Les échanges entre le mobile et la station de

base se font sur deux fréquences distinctes appelées fréquence montante (du mobile vers la base) et descendante (de la base vers le mobile), séparées par un intervalle appelé écart duplex.

Deux bandes de fréquences sont utilisées : la bande GSM (largeur 25 MHz, parfois étendue à 35 MHz) et la bande DCS (largeur 75 MHz).

Station de Base (BTS) Le canal de transmission

: bande GSM (EGSM étendue)

montante : 890 (880) à 915 MHz

descendante : 935 (925) à 960 MHz

écart duplex 45 MHz 124 (174) canaux de 200 kHz

bande DCS

montante : 1710 à 1785 MHz descendante : 1805 à 1880

MHz écart duplex 95 MHz 374 canaux de 200 kHz

Station de Base (BTS) La voie balise et la voie de trafic: Lors d’un test de mobile, le testeur assurera les même fonctions qu’une station de

base. • • • • • Chaque BTS est équipée pour travailler sur un certain nombre de canaux, en

général 5 ou 6, qui sont autant de paires de fréquences émission-réception : un canal est affecté à un rôle particulier : la voie balise. Sur ce canal appelé aussi

BCH (Broadcast Channel) , la station de base émet en permanence, avec une puissance fixe, des données de service.

les autres canaux sont affectés aux communications

Station de Base (BTS) ⇒ A sa mise en route, le mobile scrute la bande GSM de son opérateur. Il reconnaît la

balise de sa cellule (signal le plus fort) pour s’y raccorder, être identifié par l’opérateur et se synchroniser

⇒ Hors communication téléhonique, le mobile reste relié en permanence à la base par la voie balise, on dit que le mobile est synchronis・ (ou : en veille / attaché/ avec localisation à jour) :

+ le mobile échange sur cette voie des signaux de contrôle (réception/demande d’appel, qualité de la liaison…)

+ toutes les 15 secondes (toutes les 5 s si le signal est faible), le récepteur mesure le niveau des balises des cellules voisines pour détecter un possible changement de cellule

+ il utilise la liaison montante de la voie balise pour signaler son désir de se connecter au réseau pour une communication (RACH : random access channel).

⇒ En communication, la base affecte au mobile une autre paire de fréquences que la voie balise :

+ le mobile échange avec la base des signaux de parole et de contrôle sur le canal TCH ( Traffic CHannel) appelé aussi voie de trafic

+ il continue à mesurer les balises environnantes pour détecter une variation de niveau lui indiquant un changement de cellule.

Les données échangées: Les signaux de voix et de contrôle

échangés entre le mobile et la base sont classés en plusieurs catégories, mais transitent tous sur 2 voies radio montantes et descendantes :

la voie balise : FCCH, SCH,,BCCH,PCH,RACH ...

la voie trafic : TCH, SACCH, FACCH...

Station de Base (BTS)

Station de Base (BTS) Un mobile n’ayant pas besoin de ces fréquences en permanence, il la

partage avec 7 autres mobiles selon une technique appelée TDMA (Time Division Multiple Access).

Le mobile en communication utilise 1 time-slot (durée 577μs) sur les 8 qui constituent une trame TDMA (durée 4,6 ms).

Le mobile reçoit le signal émis par la base sur la fréquence descendante durant un time slot soit 577 μs, puis 3 time-slots plus tard, émet son signal vers la station de base sur la fréquence montante.

Conclusion : un canal GSM est donc constitué d’un couple de fréquences (montante et descendante) et d’un numéro de time-slot (entre 0 et 7).

Structure simplifiée du mobileEmission: Dans le GSM, la voix est digitalisée et traitée sous

forme numérique :

le son est capté par le microphone qui fournit un signal analogique

il est échantillonné à 8 kHz et codé en binaire sur 13 bits par un CAN série

le débit brut résultant est D=8000x13=104 kbits/s

Structure simplifiée du mobileEmission: Le signal binaire a un débit trop important pour être

transmis tel quel et va subir plusieurs traitements numériques effectués par un processeur de signal (DSP) :

Une compression de débit par un codec qui traite le signal vocal par tranches de 20 ms et abaisse le débit de 104 à 13 kbits/s ( Division de débit par 8 )avec une perte de qualité minime

Une protection par des codes correcteurs d’erreurs Un cryptage qui assure la confidentialité des communications :

Débit résultant 22,8 kbits/s ( 13 + 9,8 )Une mise en paquets de 148 bits (114 pour la voix) pour former

la salve TDMA

DSP au cœur des systèmes de traitement numérique du signal

DSP au cœur des systèmes de traitement numérique du signal

Structure simplifiée du mobileEmission: La mise en paquets = 1 time-slot sur 8. Ces salves de données binaires ( 4 salves = 20 ms de

parole) pourront moduler une porteuse, qui sera ensuite transposée dans le canal d’émission grâce à un changement de fréquence.

Structure simplifiée du mobileRéception: Le récepteur a une structure classique

de récepteur à changement de fréquence , Une fois démodulées, les données sont

corrigées des erreurs de transmission (quand c’est possible !), puis décompressées par le vocodeur et étalées dans le temps pour reconstituer les 20 ms de parole.

Architecture GSM BTS (Base Transceiver Station)

• Ensemble d’émetteurs-récepteurs (TRX) à la charge de latransmission radio (modulation,démodulation, égalisation, codage correcteur d’erreur)

• Gère toute la couche physique : multiplexage TDMA, chiffrement, saut de fréquence…

• Réalise l’ensemble des mesures radio nécessaires pour vérifier qu’une communication se déroule normalement

• Gère la couche liaison de données pour l ’échange de signalisation entre les mobiles et l’infrastructure.

PYLONE AUTOSTABLE

MÂT ET TREPIED

PYLONE HAUBANE 

Le handover : phase de mesures

• MS et BTS effectuent des mesures• Paramètres recueillis :– La puissance du signal reçu (qualité du lien) • MS (canal descendant), BTS (canal montant)– Le taux d’erreur binaire (BER) – Distance entre le mobile et la station de base (grâce à la valeur de l’avance en temps)• Paramètres diffusés par une station :– Identité de la station– Les fréquences des canaux balise des stations voisines• Les intervalles de mesures doivent être petits– GSM : remontées de mesures au BSC toutes les 480ms– Au maximum : mesure de 6 stations

Contrôleur de Station de Base (BSC)

Comme partie de contrôle de BSS, BSC effectue la fonction de commutation dans BSS.

BSC peut être connecté à plusieurs BTS sur un côté, et l’MSC et l’OMC à l'autre extrémité. BSC gère principalement le réseau radio et les ressources radio , surveille et dirige la station de base radio, contrôle l'établissement, la connexion/déconnexion des liens radio entre l’MS et BTS et la mise à jour des données d'emplacement, et fournit des fonctions telles que codage de la voix, transcoding, adaptation du débit, aussi bien que les fonctions d‘exploitation et de maintenance du BSS.

Contrôleur de Station de Base (BSC)

• Organe « intelligent » du BSS : gère la ressource radio commande l’allocation des canaux

• Utilise les mesures effectuées par la BTS pour contrôler les puissances d’émission du mobile et/ou de la BTS

• Prend la décision de l’exécution d’un handover

• BSC contrôle plusieurs BTS

Sous -Système Réseau (NSS) Le sous système réseau inclut

principalement des fonctions de commutation du système GSM, et les fonctions de la base de données utilisées pour les données des abonnés ,et la gestion de mobilité aussi bien que la gestion de sécurité.

Il gére les communications entre les abonnés mobiles GSM et celles entre les abonnés GSM mobiles et d'autres abonnés du réseau de communication.

Sous -Système Réseau (NSS)

MSC

VLR

B

MSC

VLR

B

G E

EIR

HLR/AUC

BSCBTS

NSS

A

BSS

F

C

D

Architecture NSS Le sous-système réseau est divisé en six

unités de fonction: Commutateur du service mobile (MSC) Registre des abonnés locaux (HLR) Registre des abonnés visiteurs (VLR) Centre D'Authentification (AUC) Registre d’identification d'équipement (EIR) Centre d'opération et de maintenance

(OMC)

MSC (Mobile-services Switching Center)

• Centre de commutation des mobiles• Gère l’établissement des communications entre un mobile et un autre MSC• Transmission des messages courts• Exécution du handover• Dialogue avec le VLR pour gérer la mobilité des usagers• Sert de passerelle active lors d’appels d’abonné fixe vers un mobile (Gateway MSC)

Commutateur de service mobile (MSC)

Comme noyau d'un réseau, le MSC fournit des fonctions de commutation, et relie les abonnés mobiles aux abonnés du réseau fixe , ou aux abonnés mobiles. Ainsi, il fournit des interfaces aux réseaux fixes (tels que le RTC & RNIS,etc...) et les interfaces pour l'interconnexion avec d'autre MSC.

Fonctions du MSC

MSC obtient toutes les données pour des demandes de traitement d'appel d'abonné des trois types de bases de données (HLR, VLR et AUC).

MSC fournit une série de services pour les abonnés:

- Services télécom, comme le téléphone & le fax- Services de transport- Services supplémentaires, tels que le transfert

d'appel, la restriction d'appel et la conférence.

Registre des abonnés locaux （ HLR）

Comme une base de données centrale du système GSM, HLR stocke les données de tous les abonnés mobiles existants contrôlés par le même HLR.

Un HLR peut contrôler plusieurs secteurs de commutation mobiles ou la totalité du réseau de communication mobile et les données statiques importantes de tous les abonnés sont stockés dans le HLR, y compris IMSI, les autorisations d'accès, type d'abonné et services supplémentaires.

En outre, HLR stocke également et fournit à l’MSC(a) l'information (dynamique) de la région de MSC(b) dans laquelle une station mobile a erré, de sorte que n'importe quel appel entrant soit immédiatement envoyé à l'abonné appelé sur un chemin choisi.

Registre des abonnés locaux （ HLR)

• Enregistreur de localisation nominal• Base de données qui gère les abonnés• Mémorise les caractéristiques : identité nationale de l’abonné IMSI numéro d’annuaire MSISDN profil de l’abonnement• Base de données de localisation : mémorise pour chaque abonné le numéro de VLR où il est enregistré

Registre des abonnés visiteurs （ VLR）

VLR stocke toutes les informations relatives aux abonnés mobiles entrant dans la zone de couverture, ce qui permet au MSC d‘établir des appels entrant /sortant.

Il peut être considéré comme base de données dynamique de l'abonné.

Le VLR obtient et stocke des données nécessaires d'un abonné mobile à partir du HLR. Une fois qu'un abonné mobile quitte la zone de couverture de ce VLR, il le réenregistre dans un autre VLR, les données temporairement enregistrées de cet abonné mobile stocké dans le VLR original seront supprimées.

Registre des abonnés visiteurs VLR

• Enregistreur de localisation d’accueil• Base de données qui mémorise les données d’abonnement des abonnés présents dans une zone• Mêmes données que dans le HLR mais concerne seulement les abonnés mobiles présents dans la zone considérée (seule donnée supplémentaire l’identité temporaire TMSI)• Séparation matérielle entre MSC et VLR rarement respectée

Centre d'Authentification （ AUC）

Comme une unité de fonction de HLR, AUC est utilisé pour gérer spécialement la sécurité du système GSM.

AUC : stocke les informations d'authentification, les clés de cryptage pour l'authentification des abonnés, le cryptage de la voix, des données, des messages de signalisations sur les interfaces de la radio, prévenir l'accès d'abonnés non autorisés et garantir la sécurité de communication mobile de l'abonné.

Centre d'Authentification （ AUC）

• Mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes deservices et pour chiffrer les communications

• Souvent considérés dans le sous-système d’exploitation et de maintenance

Registre d’identification d'équipement （ EIR）

EIR stocke l'identificateur international de

l‘équipement mobile (IMEI) , il inscrit les identificateurs du matériel mobiles qui sont autorisés respectivement, que devrait être surveiller en cas de panne, et non autorisé en cas de vol.

Le service opérateur peut utiliser ces informations pour localiser l'emplacement d'un poste mobile volé et le bloquer.

Registre d’identification d'équipement （ EIR)

• Base de données annexe contenant les identités des terminaux IMEI

• Peut refuser l’accès au réseau parce que le terminal n’est pas homologué ou qu’il a fait l’objet d’une déclaration de vol

OAM

Service carrier

CM

MM

RR

Subscriber

Transmission

Les Couches fonctionnelles du GSM

Transmission: fonction de communication des données, fournissant des méthodes pour transporter les données de l'abonné et transmettre la signalisation entre différentes entités dans divers segments le long du chemin de Communication.

RR: gestion des ressources radio, établissement et libération des connexions stables entre les stations mobiles et le MSC pendant l'étape d‘établissement d'appel, qui est effectuée principalement par la MS et la BSC.

Les Couches fonctionnelles du GSM

MM: se rapporte à la gestion de mobilité et de la sécurité, traitement des stations mobiles changement d'environnement, faire des choix de cellule appartenant probablement à différents réseaux, de sorte que l'abonné appelant puisse installer un processus valide; des infrastructures sont exigées pour contrôler l'emplacement des données des abonnés (mise à jour de d’emplacement );

Les Couches fonctionnelles du GSM

CM: se rapporte à la gestion de la communication ,

c-à-d, sous des requêtes d'abonné, mise en place des connexions entre les abonnés, maintient et libére les appels

OAM: Plateforme d‘exploitation,

d'administration et de maintenance, fournissant des méthodes d‘exploitation pour des opérateurs. Le service est assuré directement par la couche de transmission .

BSS:(Base

Station Sub

System )Le sous sys

Radio

BTS Base transceiver

station

Station de base

Emetteurs/Recepteurs

BSC Base station controller

Controleur SB Contrôle & concentration

NSS:(Network

Sub System)Le sous sys

Radio

MSC Mobile Service Switching Center

Centre de commutation

radio

Commutation mobile

Commutation associée VLR

HLR Home localisation

Register

Registre de localisation

Nominal

BD localisation & profil abonné

VLR Visitorlocalisation Register

Registre de localisation

Mobilté

BD localisation mobilité abonné

OSS:(Opération

Sub System)Exploitation

& administra

tion du réseau

EIR Eqt Identity Register

Registre d’identité Eqt

stocke l'ident international de l‘éqt mobile

(IMEI)

Auc Authentification center

Centre d’authentificatio

n

sécurité du système GSM

OMC/NMC

Operation Mce Network Mngt

Center

Centre d’exp & Maintenance

63

BSC

BSC

MSC RTC

MSC

Une structure hiérarchiséeUn téléphone mobile est relié à une base (BTS) par faisceau hertzien (une base par cellule)L ’autonomie d ’acheminement est assurée par des commutateurs de base (BSC)

La fonction transit est assurée par des commutateurs pour mobile (MSC) qui orientent les communications vers le réseau normal ou un autre MSC

BTS

BTS

BTS

BTS

MS

64

En ville, on a souvent des interférences destructives qui affectent une fréquence très précisément définie (évanouissement sélectif)

Le téléphone va donc utiliser des fréquences différentes l ’une après l ’autre de façon à ce qu’on soit sûr de bien transmettre l ’information, quitte à la répéter

Comme le réseau est numérique, on peut utiliser la technique TDMA

Lorsqu’un téléphone est relié à une base, on lui affecte une série de fréquences et une voie temporelle

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Un téléphone mobile est inscrit dans une registre fixe (HLR) défini par un numéro, quelle que soit sa position.

06 ABCD MNPQmob adresse registre numéro mobile

Ce registre contient les caractéristiques de l ’abonnement, le taxateur et la zone où se trouve le mobile

Lorsqu’il est en fonctionnement, le téléphone mobile s ’inscrit automatiquement dans un registre de visiteur (VLR) qui contient le numéro de cellule où il se trouve, ainsi que ses caractéristiques

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Pour appelerle mobile prépare son numéro d ’appel, puis le lance (OK)le BSC lui donne un canal de conversation après vérification de ses caractéristiques auprès du VLRLe MSC utilise le numéro pour router l ’appel vers le RTC ou vers un autre MSC .La signalisation permet d ’inscrire un ticket dans le HLR

Pour être appelé

le numéro du mobile permet d ’orienter l ’appel vers le HLRqui donne la zone où se trouve le mobile, et vers le VLRqui donne la cellule où se trouve le mobile

C ’est la base qui lance un appel vers le mobile et qui lui affecte un canal de transmission dès qu’il répond

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On veut pouvoir se déplacer avec son mobile

Le mobile teste régulièrement la fréquence de balise dont le niveau est le plus élevéLe mobile se connecte toujours sur la base qui correspond à cette fréquence

Si la base change, mais reste dans la même zone, le mobile change son inscription dans le VLR et pas dans le HLR

Si la zone change, il faut modifier à la fois le VLR et le HLR

La conversation bascule d ’une base à l ’autre lorsque les mises à jour sont effectuées

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Ces modifications prennent du tempsLe mobile ne doit pas changer de cellules trop souventIl y a une limitation de vitesse : 200 km/hIl y a un réseau spécial pour les TGV

On ne pourrait rien avoir dans un avion s’il était permis de téléphoner C ’est interdit car le téléphone essaierait continuellement de s ’inscrire dans une base et ses émissions perturberaient les instruments de navigationIl y a des réseaux mobiles pour les avions, mais ils correspondent à des cellules plus grandes et donc à des changements pas trop fréquents

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Le principeLa Terre est survolée par une constellation de satellites, telle qu’il y ait toujours un satellite au-dessus de n ’importe quel pointC ’est ce satellite qui fait office de base auprès de laquelle le mobile s ’inscrit et se connecte

La situation actuelleL ’appel est orienté du satellite vers une station terrestre où il est ensuite routé par le RTC ou un MSC

Une possibilité de l ’avenirLorsque ce sera possible, le chemin vers le correspondant sera défini de satellite en satellite de la constellation avant de l ’atteindre (commutation à bord)

Réseau GSM

Réseau GSM

Réseau GSM