Cours en rseau GSM et GPRS[Rsolu/Ferm]

Chapitre 1 Gnralits sur le GSM Chapitre 2 Architecture d'un rseau radiomobile GSM Chapitre 3 Les caractristiques de l'interface Air Chapitre 4 Notions de base d'ingnierie d'un site Chapitre 5 Gnralits sur les protocoles et les interfaces Chapitre 6 Piles de protocoles du systeme GSM Chapitre 7 Interface ABIS Chapitre 8 Interface A Chapitre 9 Quelques rfrences...

L'origine du GSM remonte l'anne 1982. Alors qu'apparaissent les premiers services commerciaux de radiotlphone cellulaire un peu partout en Europe et aux Etats-Unis, la CEPT (Confrence Europenne des Postes et Tlcommunications) confie un groupe de travail appel Groupe Spcial Mobiles la tche de rdiger les spcifications d'un systme pan europen de communication bas sur des tlphones mobiles. La bande des 900 MHz, rserve depuis 1978 par la Confrence Administrative Mondiale des Radiocommunications (WARC) est choisie. Le GSM livre une premire srie de spcifications (dite "phase 1") en 1990, une deuxime srie tant l'tude pour ajouter de nouvelles fonctions au produit GSM. Ce nom s'internationalise trs vite (GSM devient "Global System for Mobile communications"), la norme tant adopte comme standard de fait dans de nombreux pays. Le GSM devient alors le premier systme permettant l'abonn d'utiliser son tlphone cellulaire l'tranger. La notion d'itinrance (roaming) est ne. Les objectifs du GSM reprennent et prolongent ceux des prcdents systmes de tlphonie mobile :

>> Grande capacit de desserte d'abonns. >> Utilisation efficace du spectre. >> Disponibilit trs large. >> Adaptabilit la densit du trafic. >> Possibilit d'accs partir de portables (en voiture) et de portatifs (pitons). >> Services tlphoniques ordinaires et services spciaux. >> Qualit de service tlphonique. >> Prix abordable. 1.1 Concept cellulaire Un systme de radiotlphonie utilise une liaison radiolectrique entre le terminal portatif et le rseau tlphonique. La liaison radio entre le tlphone mobile et le rseau doit tre de qualit suffisante, ce qui ncessite la mise en place d'un ensemble de stations de base (BTS) sur l'ensemble du territoire que l'on souhaite couvrir, de telle sorte que le terminal soit toujours moins de quelques kilomtres de l'une d'entre elles. Ce que l'on appelle une cellule, c'est la surface sur laquelle le tlphone mobile peut tablir une liaison avec une station de base dtermine. Le principe consiste diviser une rgion en un certain nombre de cellules desservies par un relais radiolectrique (la BTS) de faible puissance, mettant des frquences diffrentes de celles utilises sur les cellules voisines. Ces cellules doivent tre contigus sur la surface couverte. Evidemment, le nombre de frquences accordes au systme GSM tant restreint, l'oprateur est oblig de rutiliser les mmes frquences sur des cellules suffisamment loignes de telle sorte que deux communications utilisant la mme frquence ne se brouillent pas.

Ensemble de cellules

L'hexagone est la forme rgulire qui ressemble le plus au cercle et que l'on peut juxtaposer sans laisser de zones vides. Toutefois, la ralit du terrain est bien diffrente de ce modle thorique, notamment en zone urbaine o de nombreux obstacles empchent une propagation linaire. 1.2 Concept de mobilit La mobilit des abonns dans un rseau cellulaire a deux consquences : * Pour tablir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonn se trouve. C'est la fonction de gestion de localisation. * Il doit y avoir continuit de la communication lorsque l'abonn passe d'une cellule une autre (transfert inter-cellulaire, communment appel handover). Si la mobilit d'un abonn s'tend plusieurs pays, des accords de roaming doivent alors tre passs entre les diffrents oprateurs pour que les communications d'un abonn tranger soient traites et aboutissent.

1.3 Scurit de la communication Pour viter les coutes frauduleuses des communications, le systme GSM utilise les moyens suivants :

>> Authentification de l'abonn avant l'accs une communication. >> L'utilisation d'une identit temporaire (TMSI = Temporary Mobile Station Identity). >> Le cryptage des communications (chiffrement). Chapitre 2 Architecture d'un rseau radiomobile GSM Un rseau GSM est constitu de trois sous-systmes :

le sous-systme Radio BSS Base Station Sub-system le sous-systme Rseau NSS Network and Switching Sub-system le sous-systme d'exploitation OSS Operation Support Sub-system Ainsi, on peut ainsi reprsenter schmatiquement un rseau radiomobile de la manire suivante :

2.1 Le sous-systme radio BSS (Base Station Sub-system) Sa fonction principale est la gestion de l'attribution des ressources radio, indpendamment des abonns, de leur identit ou de leur communication. On distingue dans le BSS : La station de base BTS (Base Transceiver Station) Elle permet le dialogue avec le mobile sur l'interface Air (aussi appele interface Radio ou interface Um). Ses principales fonctions sont : Contrle de la couche physique (couche 1 de l'interface radio) : transmission de la parole et des donnes, transmission discontinue, ordres de contrle de puissance et de handover... Mesures des interfrences sur les canaux non allous des communications (idle channels). Mesures sur la liaison montante (uplink), servant l'algorithme de dcision du handover. Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle, selon la distance qui spare la BTS du mobile. Dtection des demandes d'accs des mobiles reus sur le canal de contrle commun (RACH). Dtection des messages de handover access (HO ACCESS). Le contrleur de station de base BSC (Base Station Controller) Il assure le contrle d'une ou de plusieurs BTS. La plupart des fonctions intelligentes de BSS sont implantes son niveau, notamment les fonctions de gestion des ressources radiolectriques : L'allocation des canaux. La gestion de la configuration des canaux. Le traitement des mesures et la dcision de handovers intra BSC. 2.2 Le sous-systme rseau NSS (Network Station Sub-system) Il assure principalement les fonctions de commutation et de routage. C'est donc lui qui permet l'accs au rseau public RTCP ou RNIS. En plus des fonctions indispensables de commutation, on y retrouve les fonctions de gestion de la mobilit, de la scurit et de la confidentialit qui sont implantes dans la norme GSM. Le MSC (Mobile Services Switching Center) C'est la partie centrale du NSS. Il prend en charge l'tablissement des communications de et vers les abonns GSM. Du fait de la mobilit, l'implantation de la seule fonction de commutation n'est pas suffisante. Le MSC gre la mobilit et les frquences et enregistre la localisation des abonns visiteurs (base de donnes VLR). Le HLR (Home Location Register) C'est la base de donnes qui gre les abonns d'un PLMN donn. Elle contient toutes les informations relatives l'abonnement et aux droits d'accs. D'autre part, le HLR est une base de donnes de localisation. Il mmorise pour chaque abonn le VLR o il est enregistr. Le VLR (Visitor Location Register) C'est la base de donnes qui gre les abonns prsents dans une certaine zone gographique. Ces informations sont une copie de l'original conserv dans le HLR. L'AuC (Authentication Center) Il mmorise pour chaque abonn une cl secrte utilise pour authentifier les demandes de services et pour le chiffrement des communications. Un AuC est en gnral associ chaque HLR. 2.3 Le sous-systme oprationnel OSS (Operating Sub-System) Il assure la gestion et la supervision du rseau. C'est la fonction dont l'implmentation est laisse avec le plus de libert dans la norme GSM. La supervision du rseau intervient de nombreux niveaux : Dtection de pannes. Mise en service de sites. Modification de paramtrage. Ralisation de statistiques. Dans les OMC (Operation and Maintenance Center), on distingue l'OMC/R (Radio) qui est reli toutes les entits du BSS, travers les BSC, l'OMC/S (System) qui est reli au sous systme NSS travers les MSC. Enfin l'OMC/M (Maintenance) contrle l'OMC/R et l'OMC/S. 2.4 Les interfaces L'interface Um C'est l'interface entre les deux sous systmes MS (Mobile Station) et le BSS (Base Station Sub-system. On la nomme couramment interface radio ou interface air . L'interface Abis C'est l'interface entre les deux composants du sous systme BSS : la BTS (Base Station Transceiver) et le BSC (Base Station Controler). L'interface A C'est l'interface entre les deux sous systmes BSS (Base Station Sub System) et le NSS (Network Sub System). Chapitre 3 Les caractristiques de l'interface Air 3.1 Partage des ressources radio La bande radio reprsente la ressource rare et le premier choix architectural ft le dcoupage du spectre allou dans un plan temps / frquence pour obtenir des canaux physiques pouvant supporter une communication tlphonique. Multiplexage frquenciel (FDMA) Le GSM opre dans la bande des 900 MHz, o 2 fois 25 MHz de bande ont t allous. Les deux parties correspondent au sens montant et au sens descendant de la liaison (uplink et downlink). La largeur des canaux tant de 200 kHz, on obtient 124 canaux duplex qui ont t rpartis entre les deux oprateurs GSM franais : SFR et Itinris (France Tlcom). La SFR utilise les canaux 63 124. Les bandes des deux liaisons ont en outre t spares par 20 MHz, ce qui porte 45 MHz l'cart duplex. Sur une bande, on met des signaux moduls autour d'une frquence porteuse qui sige au centre de la bande.

Multiplexage temporel (TDMA) Pour le GSM, chaque porteuse est divise en intervalles de temps (IT) appels slots. La dure d'un slot a t fixe Tslot = (75/130) ms = 0.5769 ms. Un slot accueille un lment de signal radiolectrique appel burst. A chaque time slot, on associe un nombre connu par la station de base (BS) et le mobile (MS). Le numrotage des slots est cyclique de dure 3,5 heures. L'accs TDMA (Time Division Multiple Access) permet de partager entre diffrents utilisateurs une bande de frquence donne et, sur une mme porteuse, les slots sont regroups par paquet de 8 : Ttdma = 8.Tslot = 4,6152 ms. Chaque utilisateur utilise alors un slot de la trame TDMA.

On considre aussi les multitrames, les supertrames et les hypertrames, fonctions de la trame TDMA et dfinies comme telles : hypertrame = 2048 supertrames = 2048*51 multitrames = 2048*51*26 trames TDMA. Compensation du temps de propagation aller - retour : Timing Advance (TA) : Les utilisateurs d'un systme cellulaire sont des distances variables de leur station de base et subissent des dlais de propagation tp diffrents ( titre indicatif 30 km sont parcourus en 100s). Dans le contexte TDMA, il est ainsi ncessaire que deux mobiles qui utilisent deux slots conscutifs n'envoient pas des bursts qui se chevauchent au niveau du rcepteur de la BTS. Le dlai de propagation peut atteindre quelques centaines de ms (trs faible par rapport aux systmes satellitaires) mais on ne peut pas le ngliger car dans le cadre du GSM certaines cellules atteignent 35 km. La solution est de compenser ce dlai avec le paramtre d'avance en temps TA (Time Advance) correspondant au temps de propagation aller-retour (2.tp). Pour illustrer, on considre deux mobiles dans la mme cellule : le premier mobile MS1 est en limite de cellule alors que le second mobile MS2 se trouve prs de la BTS. On suppose que les deux mobiles utilisent des slots conscutifs sur la mme porteuse : MS1 met sur le slot 1 et MS2 met sur le slot 2.

En l'absence de compensation de temps de propagation tp, les bursts mis par chacun des mobiles MS1 et MS2 se chevaucheront au niveau de la rception de la BTS :

En effectuant une gestion du paramtre TA, les bursts mis par les deux mobiles ne se chevauchent plus. Le mobile le plus loign avance l'mission de chacun de ces slots d'une dure tp par rapport l'instant de dbut de slot, c'est dire 2tp=TA.

Bilan Avec 62 canaux et 8 intervalles de temps par canal, on a donc un systme qui allie un multiplex frquentiel (FDMA - Frequency Division Multiple Access) et un multiplex temporel (TDMA - Time Division Multiple Access). Un canal physique est donc dfini par :

. un numro de Time Slot TS (dans une trame TDMA). . une frquence (ou une loi de saut de frquence si le saut de frquence lent est implant).

Ainsi, il apparat de manire vidente que la capacit d'un rseau GSM est limite par son nombre de frquences. C'est pourquoi la rutilisation de ces dernires est ncessaire. La modulation choisie pour le GSM est la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying : modulation avec porteuse minimum de saut de phase, gaussienne pour "arrondir" les angles des changements). Le codage de la parole peut se faire se faire de manire traditionnelle ou avec l'utilisation de l'EFR (Enhanced Full Rate) qui correspond un logiciel de codage de la parole plus volu que le prcdent. C'est le son haute rsolution. Un mobile accde donc au rseau de manire discontinue dans le temps. Il envoie des rafales d'informations (appels Burst), d'une dure exacte de 156,25 bits, occupant toujours un mme intervalle de temps (Time Slot) sur un canal. L'accs au canal montant et au canal descendant se fait toujours de faon dcale: il y a 2 slots de dcalage entre le sens uplink et le sens downlink. Ce dcalage permet notamment un filtrage duplex plus simple. On a donc 4 time slots qui permettent au mobile de faire des mesures et scruter les canaux des cellules adjacentes dans une phase appele "monitor". 3.2 Canaux logiques L'interface radio reprsente la partie dlicate de la chane de transmission et le systme doit faire face aux diffrents problmes du lien mobile-rseau au niveau de la propagation (attnuation, vanouissements, interfrences...), mais aussi au niveau de la gestion du rseau : il est ncessaire d'avoir des fonctions de contrle pour que le mobile se rattache la station de base la plus favorable, pour tablir et surveiller le droulement d'une communication ou encore assurer le handover. L'utilisation de canaux logiques va permettre une utilisation efficace des ressources radio et une qualit de service satisfaisante. Parmi ces canaux on distingue les canaux ddis (TCH et SDCCH), c'est dire allou un mobile. Les autres canaux sont des canaux partags entre mobiles. Canaux ddis : Dedicated Channel

Sur un canal physique on peut placer soit un TCH avec son SACCH associ, soit 8 canaux SDCCH avec leurs SACCH associs : SDCCH TCH / 8. TCH et SDCCH On distingue les canaux ddis transportant des informations utilisateur ou provenant des couches hautes du systme : . canaux de trafic TCH (Traffic CHannels) : transmission de la parole 13 kbits/s (TCH/FS), 5,6 kbits/s en demi-dbit (TCH/HS) ou des donnes 12 kbits/s. . canaux de signalisation SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) : dbit de 800 bits/s. L'utilisation du Half Rate (canal TCH demi-dbit) permet d'augmenter de manire considrable la capacit du rseau. En effet, deux canaux TCH peuvent s'installer sur un seul Time Slot. Nanmoins, l'utilisation de cette fonctionnalit ne peut se faire que par des mobiles dits phase 2. SACCH On ne peut pas ddier un canal un mobile sans effectuer un contrle constant pour ajuster des paramtres afin de conserver une bonne qualit de communication. Associ aux canaux SCH et SDCCH, le canal de contrle SACCH (Slow Associated Control CHannel) permet d'en effectuer la supervision (contrle de puissance, contrle de la qualit du lien radio, compensation du dlai de propagation par le mcanisme d'avance en temps, gestion des mesures des stations voisines). FACCH Le canal SACCH permet d'couler diffrents types de contrles ou de signalisation mais son dbit tant trop faible, il ne convient pas aux actions rapides comme le handover. Si le canal allou est un TCH, on suspend la transmission des informations usagers afin d'couler la signalisation. On obtient donc un autre canal de signalisation, le FACCH (Fast Associated Control Channel), on utilise alors une partie de la capacit. Si le canal allou est un SDCCH, il peut couler lui mme la signalisation comme par exemple un handover. Voie balise : Beacon Channel La voie balise permet au mobile de se raccorder en permanence la station de base la plus favorable. Le mobile mesure la puissance du signal reu de la voie balise correspondant une frquence particulire de l'ensemble des frquences alloues cette station. Lors d'une mise sous tension, pendant l'tat de veille et pendant une communication, le mobile scrute les voies balises pour connatre les stations avoisinantes susceptibles de l'accueillir en cas de handover. Dans le cadre du GSM, la voie balise d'une station correspond aux deux lments suivants : une frquence-balise sur laquelle est mis en permanence un signal modul de puissance constante qui permet aux mobiles de faire des mesures en puissance. canaux de broadcast : ils permettent aux mobiles d'accrocher au systme local en acqurant tous les paramtres analogiques et logiques ncessaires. FCCH Le canal FCCH (Frequency Correction CHannel) permet aux mobiles de se caler sur la frquence nominale de la station de base. C'est un signal sinusodal parfait de frquence f0 permettant un calage fin de l'oscillateur du mobile et il est mis environ 20 fois par seconde. SCH Le canal SCH (Synchronisation CHannel) fournit au mobile tous les lments ncessaires une complte synchronisation avec la station de base et il permet de caractriser la voie balise par un marquage spcial. On peut alors distinguer deux types de synchronisation : synchronisation fine : dtermination du TA (Timing Advance). La BTS effectue une estimation du temps de propagation aller-retour partir du burst RACH mis par le mobile, et le paramtre TA ainsi calcul sera transmis de manire logique via le canal AGCH. * synchronisation logique : dtermination du FN (Frame Number). La rception du SCH permet donc au mobile de calculer le numro FN de trame dans l'hypertrame et de se caler sur le slot 0. BCCH Le canal BCCH (Broadcast Control CHannel) permet de diffuser des donnes caractristiques de la cellule. Il comprend la diffusion rgulire d'informations systmes de plusieurs types, et cette diffusion est plus ou moins rapide suivant la ncessit du mobile. Ces informations dterminent les rgles d'accs la cellule : paramtres de slection de la cellule, numro de zone de localisation, les paramtres RACH donnant les rgles d'accs alatoire, indication au mobile des slots couter pour dtecter les appels diffuss, description de l'organisation du canal CBCH, connaissance des frquences des voies balises des cellules voisines. Canaux de contrle communs : Common Control Channel RACH Le canal RACH (Random Access CHannel) est un canal de contrle partag par un ensemble de mobiles qui leur permet de se signaler au rseau pour effectuer une opration telle que la localisation, l'envoi de messages courts, l'appel normal... AGCH Le canal AGCH (Access Grant CHannel) permet d'allouer un canal de signalisation lorsque l'infrastructure reoit une requte du mobile. On peut alors identifier, authentifier et dterminer la demande du mobile. Le message d'allocation contient le numro de porteuse et de slot, ainsi qu'une description du saut de Frquence FH. PCH Le canal PCH (Paging CHannel) supporte l'ensemble des appels en diffusion (Paging). Lorsque l'infrastructure dsire communiquer avec un mobile, pour un appel ou une authentification par exemple, elle diffuse l'identit du mobile sur un ensemble de cellules et les messages sont transmis sur le canal PCH. La rponse du mobile s'effectue alors de manire alatoire sur la cellule dans laquelle il se trouve sur le canal RACH. CBCH Le canal CBCH (Cell Broadcast CHannel) diffuse aux usagers de la cellule des messages courts comme des informations routires, mto..

3.3 Gestion des frquences Principe de rutilisation des ressources Les ondes radiolectriques sont aujourd'hui le seul moyen que l'on ait trouv pour rendre possible les communications mobiles. Malheureusement, le spectre radiolectrique est une ressource limite, dj largement sollicite par ailleurs. Le concept de motif cellulaire a donc t introduit pour permettre la rutilisation d'une mme frquence dans des endroits diffrents. Le principe de la rutilisation des frquences repose sur l'attnuation que subissent les ondes radio lorsqu'elles se propagent dans l'atmosphre. Lorsqu'on se trouve assez loin d'un metteur, le signal envoy par celui-ci est trs faible. On peut alors utiliser la mme frquence que l'metteur lointain sans crainte d'interfrences, le signal local tant beaucoup plus puissant que le signal lointain. Le GSM utilise donc un rseau maill, form d'metteurs dissmins sur la zone couvrir. Deux metteurs voisins utilisent des frquences diffrentes, mais des metteurs loigns rutilisent les mmes frquences selon le principe nonc plus haut. En pratique, le terrain est "dcoup" en petites zones, appeles cellules, caractrises chacune par une frquence prcise. On runit un certain nombre de cellules utilisant des frquences diffrentes pour former un motif. On rpte alors ce motif pour couvrir tout le territoire, permettant ainsi partir d'un nombre de frquences limit de mettre en place un grand nombre d'metteurs.

Exemple de motif 3 cellules (les cellules portant le mme chiffre utilisent la mme frquence).

Chaque metteur ncessite une infrastructure complexe pour fonctionner et dialoguer tant avec l'ensemble du rseau qu'avec les tlphones mobiles prsents sur sa zone de service. On appelle cette infrastructure "station de base". Un rseau de radiotlphonie cellulaire se compose donc d'un ensemble de stations de base rparties sur la zone gographique couvrir. Code de couleur BSIC La mme frquence peut tre utilise pour supporter la voie balise de deux stations suffisamment loignes. Les deux stations ne se brouillent pas sur leur zone de service respective mais un mobile situ mi-distance peut recevoir alternativement l'une ou l'autre station avec un niveau de champ suffisant. Afin de diffrencier les deux stations, on utilise le code de couleur BSIC. Le couple (frquence, BSIC) permet sur un zone donne de dterminer parfaitement une cellule. A l'intrieur d'un motif, on utilise le mme BSIC. Ainsi, les cellules voisines (cellules de frquences de voie balise identique) ne font pas partie du mme motif.

Motif de taille 7, la frquence indique est celle de la voie balise. Notion sur les brouillages Comme cela est expliqu auparavant, un des principes de base du GSM est la rutilisation des frquences. Cela entrane ainsi des recouvrements de spectre concernant un mme canal prsent sur deux sites diffrents. De plus, du fait de la non-perfection des filtres prsents l'mission des ondes lectromagntiques, la bande de 200 kHz sparant deux canaux GSM adjacents n'est pas suffisante pour se prmunir contre les brouillages adjacents. Ainsi pour se prmunir contre des brouillages internes au rseau, il convient de vrifier les rgles suivantes : * en co-canal : le rapport signal bruit doit tre suprieur 9 dB. * en canal adjacent : le rapport signal bruit doit tre suprieur -9 dB. Ainsi, lors de la planification des frquences sur les sites du rseau, les rgles lmentaires suivantes sont systmatiquement respectes : * sur une mme cellule : les frquences utilises doivent tre distantes d'au moins 600 MHz, soit trois canaux d'cart. * sur un mme site (dans le cadre de la trisectorisation): les frquences utilises doivent tre distantes d'au moins 400 MHz, soit deux canaux d'cart. Saut de frquence : Frequency Hopping A l'origine, le mcanisme de saut de frquence fut introduit dans les systmes militaires. Le rseau SFR utilise aujourd'hui ce procd. Il consiste pour un metteur changer rgulirement de frquence pour obtenir une diversit de frquence et ainsi, diversifier ses brouilleurs. L'interface radio du GSM utilise le saut de frquence lent (SFH, Slow Frequency Hopping) qui consiste changer de frquence chaque mission de message ou de burst. Il permet de lutter contre les vanouissements slectifs (diversit de frquence) et apporte une gestion diffrente en moyennant le niveau d'interfrence global sur toutes les porteuses (diversit des brouilleurs).

Saut de frquence. En changeant de frquence chaque mission de burst ou de message, le mobile est brouill par des mobiles diffrents chaque mission. Ainsi, le pire des cas peut toujours se produire mais seulement de temps en temps. Grce l'efficacit du codage et de l'entrelacement, le signal peut tre correctement reu mme si le C/I de certains chantillons est infrieur au seuil de la communication. Dans l'exemple ci-dessus, le signal venant de A est interfr par M, N et O. Mais le fait que le C/I moyen soit suprieur au seuil de la communication fait que la communication n'est pas brouille. Ensuite, on numrote les frquences de saut de 0 N-1 et un algorithme, dfini dans la norme, gnre une suite pseudo-alatoire de nombres (si) avec 0