demoulin2004principes.pdf

C. DEMOULIN, M. VAN DROOGENBROECK. Principes de base du fonctionnement du rseau GSM. Revue de lAIM, pages 318, N04, 2004.

PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DU RSEAU GSMCdric DEMOULIN, Marc VAN DROOGENBROECK

Dpartement dlectricit, lectronique et Informatique (Institut Montefiore)Sart Tilman, B-4000 Lige, Belgique

http://www.ulg.ac.be/telecom

Rsum

Si la tlphonie mobile se banalise aujourdhui, on le doit la conjonction de lavnement du numrique, laccrois-sement des performances des semi-conducteurs et diffrentes avances technologiques. Mais le facteur dterminant futsans doute la cristallisation autour de la norme GSM issue dun effort soutenu de standardisation men lETSI1 (Organeeuropen de normalisation en tlcommunications, cr linitiative du Conseil des ministres).

Dans cet article, nous passerons en revue diffrents aspects de la technologie GSM : lments de la couche physique,caractrisation de la partie radio, architecture du rseau, etc. Pour faciliter la lecture il faut concder que les acronymesabondent dans ce domaine, un glossaire est fourni en fin darticle.

1 Introduction

1.1 HistoriqueLhistoire de la tlphonie mobile (numrique) dbute rellement en 1982. En effet, cette date, le Groupe Spcial

Mobile, appel GSM2, est cr par la Confrence Europenne des administrations des Postes et Tlcommuncations (CEPT)afin dlaborer les normes de communications mobiles pour lEurope dans la bande de frquences de 890 915 [MHz]pour lmission partir des stations mobiles3 et 935 960 [MHZ] pour lmission partir de stations fixes. Il y eut biendes systmes de mobilophonie analogique (MOB1 et MOB2, arrt en 1999), mais le succs de ce rseau ne fut pas aurendez-vous.

Les annes 80 voient le dveloppement du numrique tant au niveau de la transmission quau niveau du traitement dessignaux, avec pour drivs des techniques de transmission fiables, grce un encodage particulier des signaux pralablement lenvoi dans un canal, et lobtention de dbits de transmission raisonnables pour les signaux (par exemple 9, 6 kilobits parseconde, not [kb/s], pour un signal de parole).

Ainsi, en 1987, le groupe GSM fixe les choix technologiques relatifs lusage des tlcommunications mobiles : trans-mission numrique, multiplexage temporel des canaux radio, chiffrement des informations ainsi quun nouveau codage dela parole. Il faut attendre 1991 pour que la premire communication exprimentale par GSM ait lieu. Au passage, le sigleGSM change de signification et devient Global System for Mobile communications et les spcifications sont adaptes pourdes systmes fonctionnant dans la bande des 1800 [MHz].

En Belgique, cest en 1994 que le premier rseau GSM (proximus) est dploy ; Mobistar et Orange (rebaptis Base)viendront plus tard. Aujourdhui, le nombre de numros attribus pour des communications GSM dpasse largement lenombre de numros ddis des lignes fixes et cette tendance se poursuit.

1.2 volution technologiqueTel quel, le rseau GSM est adquat pour les communications tlphoniques de parole. En effet, il sagit principalement

dun rseau commut, linstar des lignes fixes et constitus de circuits, cest--dire de ressources alloues pour la totalitde la dure de la conversation. Rien ne fut mis en place pour les services de transmission de donnes. Or, paralllement audploiement du GSM en Belgique, en 1994, la socit Netscape allait donner un tour spectaculaire un rseau de transmissionde donnes, appel Internet, en diffusant le premier logiciel de navigation grand public, articul sur le protocole http etcommunment appel web.

1http://www.etsi.org2Cest en fait la premire dfinition de lacronyme GSM.3Pour des raisons dconomie de puissance et en vertu de la loi de FRIIS, on privilgie toujours les basses frquences pour les missions omnidirection-

nelles.

1


Comme le rseau GSM ne convenait gure pour la transmission de donnes, les volutions rcentes ont vis accrotrela capacit des rseaux en termes de dbit mais largir les fonctionnalits en permettant par exemple ltablissement decommunications ne ncessitant pas ltablissement pralable dun circuit.

Pour dpasser la borne des 14, 4 [kb/s], dbit nominal dun canal tlphonique bascul en mode de transmission dedonnes, lETSI a dfini un nouveau service de donnes en mode paquet : le General Packet Radio Service (GPRS) quipermet lenvoi de donnes un dbit de 115 [kb/s] par mise en commun de plusieurs canaux. Dune certaine manire,le GPRS prpare larrive de la tlphonie de troisime gnration, appele Universal Mobile Telecommunications System(UMTS), qui permettra datteindre un dbit de 2 [Mb/s]. Mais le chemin est long car les applications ncessitant lUMTS sefont attendre, sans perdre de vue que tous les lments du rseau UMTS sont incompatibles avec ceux du GSM. Pourquoiles investisseurs devraient-ils donc mettre la main au portefeuille ?

2 La technologie GSM

2.1 Le concept cellulaireLes rseaux de premire gnration possdaient des cellules de grande taille (50 [km] de rayon) au centre desquelles

se situait une station de base (antenne dmission). Au tout dbut, ce systme allouait une bande de frquences de manirestatique chaque utilisateur qui se trouvait dans la cellule quil en ait besoin ou non. Ce systme ne permettait donc de fournirun service qu un nombre dutilisateurs gal au nombre de bandes de frquences disponibles. La premire amliorationconsista allouer un canal un utilisateur uniquement partir du moment o celui-ci en avait besoin permettant ainsidaugmenter statistiquement le nombre dabonns, tant entendu que tout le monde ne tlphone pas en mme temps.Mais ce systme ncessitait toujours des stations mobiles de puissance dmission importante (8 [W ]) et donc des appareilsmobiles de taille et de poids consquents. De plus, afin dviter les interfrences, deux cellules adjacentes ne peuvent pasutiliser les mmes frquences. Cette organisation du rseau utilise donc le spectre frquentiel dune manire sous-optimale.

Cest pour rsoudre ces diffrents problmes quest apparu le concept de cellule. Le principe de ce systme est dediviser le territoire en de petites zones, appeles cellules, et de partager les frquences radio entre celles-ci. Ainsi, chaquecellule est constitue dune station de base (relie au Rseau Tlphonique Commut, RTC) laquelle on associe un certainnombre de canaux de frquences bande troite, sommairement nomms frquences. Comme prcdemment, ces frquencesne peuvent pas tre utilises dans les cellules adjacentes afin dviter les interfrences4. Ainsi, on dfinit des motifs, aussiappels clusters, constitus de plusieurs cellules, dans lesquels chaque frquence est utilise une seule fois. La figure 1montre un tel motif, en guise dexemple.

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1

FIG. 1 Figure reprsentant un motif lmentaire ( gauche) et un ensemble de motifs dans un rseau ( droite).

4En pratique, une distance minimale de deux cellules spare deux cellules utilisant la mme frquence.

2


Graphiquement, on reprsente une cellule par un hexagone car cette forme approche celle dun cercle. Cependant, enfonction de la nature du terrain et des constructions, les cellules nont pas une forme circulaire. De plus, afin de permettre un utilisateur passant dune cellule une autre de garder sa communication, il est ncessaire que les zones de couverturese recouvrent de 10 15%, ce qui renforce la contrainte de ne pas avoir une mme bande de frquences dans deux cellulesvoisines.

Pour viter les interfrences plus grande distance entre cellules utilisant les mmes frquences, il est galement pos-sible dasservir la puissance dmission de la station de base en fonction de la distance qui la spare de lutilisateur. Lemme processus du contrle de la puissance dmission est galement appliqu en sens inverse. En effet, pour diminuer laconsommation dnergie des mobiles et ainsi augmenter leur autonomie, leur puissance dmission est calcule en fonctionde leur distance la station de base. Grce des mesures permanentes entre un tlphone mobile et une station de base, lespuissances dmission sont rgules en permanence pour garantir une qualit adquate pour une puissance minimale.

En rsum, une cellule se caractrise : par sa puissance dmission nominale5 ce qui se traduit par une zone de couverture lintrieur de laquelle le niveau

du champ lectrique est suprieur un seuil dtermin, par la frquence de porteuse utilise pour lmission radio-lectrique et par le rseau auquel elle est interconnecte.

Il faut noter que la taille des cellules nest pas la mme sur tout le territoire. En effet, celle-ci dpend : du nombre dutilisateurs potentiels dans la zone, de la configuration du terrain (relief gographique, prsence dimmeubles, . . .), de la nature des constructions (maisons, buildings, immeubles en bton, . . .) et de la localisation (rurale, suburbaine ou urbaine) et donc de la densit des constructions.

Ainsi, dans une zone rurale o le nombre dabonns est faible et le terrain relativement plat, les cellules seront plus grandesquen ville o le nombre dutilisateurs est trs important sur une petite zone et o lattnuation due aux btiments est forte. Unoprateur devra donc tenir compte des contraintes du relief topographique et des contraintes urbanistiques pour dimensionnerles cellules de son rseau. On distingue pour cela quatre services principaux :

1. Le service Outdoor qui indique les conditions ncessaires pour le bon droulement dune communication en ext-rieur.

2. Le service Incar qui tient compte des utilisateurs se trouvant dans une voiture. On ajoute typiquement une margesupplmentaire de 6 dcibel Watt, note 6 [dB], dans le bilan de puissance pour en tenir compte.

3. Le service Indoor qui permet le bon droulement des communications lintrieur des btiments. Cette catgoriede service se subdivise son tour en deux :

(a) le Soft Indoor lorsque lutilisateur se trouve juste derrire la faade dun btiment et(b) le Deep Indoor lorsquil se trouve plus lintrieur.

Typiquement, on considre que, lors de ltablissement du bilan de puissance, cest--dire de lanalyse du rapport de lapuissance mise la puissance reue au droit du rcepteur, il faut tenir compte de 10 [dB] dattnuation supplmentairepour le Soft Indoor et de 20 [dB] pour Deep Indoor 900 [MHz]. Quand on sait que 10 [dB] reprsente un facteur de 10en puissance, on comprend quil est crucial pour un oprateur de dimensionner au mieux son rseau, quitte effectuer desmesures sur le terrain.

2.1.1 Rutilisation des ressources

Par rapport au systme de premire gnration, les cellules tant de taille plus petite, la puissance dmission est plusfaible et le nombre dutilisateurs peut tre augment pour une mme zone gographique. Cest grce au principe de r-utilisation des frquences quun oprateur peut augmenter la capacit de son rseau. En effet, il lui suffit de dcouper unecellule en plusieurs cellules plus petites et de grer son plan de frquences pour viter toute interfrence. Il y a ainsi touteune nomenclature spcifique pour classer les cellules en fonction de leur taille (macro, micro, pico, etc).

Dfinition 1 [Capacit] La capacit est le trac maximum que peut couler une cellule en fonction du nombre de frquencesqui lui sont attribues, le trac tant fonction du nombre moyen de personnes qui communiquent et de la dure moyennedune communication.

5Cette puissance est typiquement de lordre de la centaine de Watts.

3


2.1.2 Estimation du rapport de puissance porteuse bruit

tant donn que, dans un rseau, une mme frquence est rutilise plusieurs fois, il est ncessaire dvaluer la distanceminimum qui doit sparer deux cellules utilisant la mme frquence pour quaucun phnomne perturbateur nintervienne.En calculant le rapport entre la puissance de la porteuse et celle du bruit, il est possible destimer cette distance.

Pratiquement, dans une cellule, un mobile reoit la fois le message utile (dont la puissance vaut C) qui lui est destinet un certain nombre de signaux perturbateurs. La connaissance du rapport entre ces puissances, nous permettra de connatrela qualit de la communication.

Pour commencer, il est ncessaire didentifier les diffrents signaux perturbateurs. On peut les subdiviser en deux classes :1. Les interfrences de puissance totale I qui sont dues aux signaux mis par les autres stations. On peut distinguer :

(a) Les interfrences co-canal qui sont dues aux signaux mis par les autres stations de base utilisant la mmefrquence.

(b) Les interfrences de canaux adjacents dues aux signaux mis par les stations de base utilisant des frquencesvoisines.

2. Le bruit, de puissance N , provenant principalement du bruit de fond du rcepteur.Ds lors, cest le rapport

C

N + I(1)

qui permet dvaluer la qualit de la communication ainsi que la distance de rutilisation des frquences.

2.2 Synthse des principales caractristiques du GSMLa norme GSM prvoit que la tlphonie mobile par GSM occupe deux bandes de frquences aux alentours des

900 [MHz] :1. la bande de frquence 890 915 [MHz] pour les communications montantes (du mobile vers la station de base) et2. la bande de frquence 935 960 [MHz] pour les communications descendantes (de la station de base vers le mobile).

Comme chaque canal frquentiel utilis pour une communication a une largeur de bande de 200 [kHz], cela laisse la placepour 124 canaux frquentiels rpartir entre les diffrents oprateurs. Mais, le nombre dutilisateurs augmentant, il sestavr ncessaire dattribuer une bande supplmentaire aux alentours des 1800 [MHz]. On a donc port la technologie GSM900 [MHz] vers une bande ouverte plus haute frquence. Cest le systme DCS-1800 (Digital Communication System)dont les caractristiques sont quasi identiques au GSM en termes de protocoles et de service. Les communications montantesse faisant alors entre 1710 et 1785 [MHz] et les communications descendantes entre 1805 et 1880 [MHz].

Connaissant les diffrents canaux disponibles, il est alors possible deffectuer un multiplexage frquentiel, appel Fre-quency Division Multiple Access (FDMA), en attribuant un certain nombre de frquences porteuses par station de base. Unoprateur ne ddie pas pour autant une bande de frquences par utilisateur, car cela conduirait un gaspillage de ressourcesradio tant donn quun utilisateur met par intermittence. De plus, avec un tel systme, si une source parasite met un bruit une frquence bien dtermine, le signal qui se trouve dans la bande de frquence contenant le parasite sera perturb.Pour rsoudre ces problmes, on combine le multiplexage en frquence un multiplexage temporel (appel Time DivisionMultiple Access ou TDMA) consistant diviser chaque canal de communication en trames de 8 intervalles de temps (dans lecas du GSM). Pour tre complet, signalons quil existe encore une autre technique de multiplexage appel Code DivisionMultiple Access (CDMA), utilise dans la norme amricaine IS-95 ou promue pour lUMTS.

Ainsi, avec le TDMA, il est par exemple possible de faire parler huit utilisateurs lun aprs lautre dans le mme canal.On multiplie donc le nombre de canaux disponibles par unit de temps par huit.

Le tableau 1 montre les caractristiques des rseaux technologie GSM et il compare les normes.Tous les terminaux mobiles fabriqus actuellement sont compatibles avec les 2 normes ; ces terminaux sont appels

bi-bandes ou dual-band. Sur le territoire des tats-Unis, aucune des bandes de frquences pr-cites ntaient encore dis-ponibles. Cest pourquoi le rseau technologie GSM amricain utilise des bandes autour des 1900 [MHz]. Des terminauxcapables doprer dans les trois bandes sont appels tri-bandes.

3 Architecture du rseauLarchitecture dun rseau GSM peut tre divise en trois sous-systmes :

1. Le sous-systme radio contenant la station mobile, la station de base et son contrleur.2. Le sous-systme rseau ou dacheminement.3. Le sous-systme oprationnel ou dexploitation et de maintenance.

Les lments de larchitecture dun rseau GSM sont repris sur le schma de la figure 2.

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MSCBSC

BTS

OMC

BTS = Base Transceiver StationBSC = Base Station ControllerVLR = Visitor Location RegisterMSC = Mobile Switching CenterHLR = Home Location RegisterAuC = Authentication CenterOMC = Operation and Maintenance Center

FIG. 2 Architecture du rseau GSM.

5


GSM DCS-1800Bande de frquences () 890, 2 915 [MHz] 1710 1785 [MHz]Bande de frquences () 935, 2 960 [MHz] 1805 1880 [MHz]Nombre dintervalles de temps par trameTDMA

8 8

Dbit total par canal 271 [kb/s] 271 [kb/s]Dbit de la parole 13 [kb/s] 13 [kb/s]Dbit maximal de donnes 12 [kb/s] 12 [kb/s]Technique de multiplexage Multiplexage frquentiel et

temporelMultiplexage frquentiel et

temporelRayon de cellules 0, 3 30 [km] 0, 1 4 [km]Puissance des terminaux 2 8 [W ] 0, 25 et 1 [W ]Sensibilit des terminaux 102 [dB]Sensibilit de la station de base 104 [dB]

TAB. 1 Comparaison des systmes GSM et DCS-1800.

3.1 Le sous-systme radioLe sous-systme radio gre la transmission radio. Il est constitu de plusieurs entits dont le mobile, la station de base

(BTS, Base Transceiver Station) et un contrleur de station de base (BSC, Base Station Controller).

3.1.1 Le mobile

Le tlphone et la carte SIM (Subscriber Identity Module) sont les deux seuls lments auxquels un utilisateur a directe-ment accs. Ces deux lments suffisent raliser lensemble des fonctionnalits ncessaires la transmission et la gestiondes dplacements.

La principale fonction de la carte SIM est de contenir et de grer une srie dinformations. Elle se comporte donc commeune mini-base de donnes dont les principaux champs sont fournis dans le tableau 2.

Paramtres CommentairesDonnes administrativesPIN/PIN2 Mot de passe demand chaque connexionPUK/PUK2 Code pour dbloquer une carteLanguage Langue choisie par lutilisateurDonnes lies la scuritCl Ki Valeur unique, connue de la seule carte SIM et du HLRCKSN Squence de chiffrementDonnes relatives lutilisateurIMSI Numro international de labonnMSISDN Numro dappel dun tlphone GSMDonnes de roamingTMSI Numro attribu temporairement par le rseau un abonnLocation updating status Indique si une mise jour de la localisation est ncessaireDonnes relatives au rseauMobile Country Code (MCC), Mobile NetworkCode (MNC), etc

Identifiants du rseau mobile de labonn

Numros de frquence absolus Frquences utilises par le PLMN

TAB. 2 Liste partielle des informations contenues dans une carte SIM (voir [1, page 13] pour la liste complte).

Lidentification dun mobile seffectue exclusivement au moyen de la carte SIM. En effet, elle contient des donnes sp-cifiques comme le code PIN (Personal Identication Number) et dautres caractristiques de labonn, de lenvironnementradio et de lenvironnement de lutilisateur.

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Lidentification dun utilisateur est ralise par un numro unique (IMSI, International Mobile Subscriber Identity)diffrent du numro de tlphone connu de lutilisateur (MSISDN, Mobile Station ISDN Number), tous deux tant incrustsdans la carte SIM.

3.1.2 La station de base (BTS)

La station de base est llment central, que lon pourrait dfinir comme un ensemble metteur/rcepteur pilotant une ouplusieurs cellules. Dans le rseau GSM, chaque cellule principale au centre de laquelle se situe une station base peut-tredivise, grce des antennes directionnelles, en plus petites cellules qui sont des portions de celle de dpart et qui utilisentdes frquences porteuses diffrentes. En Belgique, il est frquent davoir des antennes tri-sectorielles, qui couvrent un peuplus de 120 degrs. Ces antennes ont lallure de paires de segments verticaux, disposes en triangle (cf. figure 3).

Cest la station de base qui fait le relais entre le mobile et le sous-systme rseau. Comme le multiplexage temporel estlimit 8 intervalles de temps, une station de base peut grer tout au plus huit connections simultanes par cellule. Elleralise les fonctions de la couche physique et de la couche liaison de donnes.

En cas de besoin, on peut exploiter une station de base localement ou par tlcommande travers son contrleur destation de base.

3.1.3 Le contrleur de station de base (BSC)

Le contrleur de station de base gre une ou plusieurs stations de base et communique avec elles par le biais de linterfaceA-bis. Ce contrleur remplit diffrentes fonctions tant au niveau de la communication quau niveau de lexploitation.

Pour les fonctions des communications des signaux en provenance des stations de base, le BSC agit comme unconcentrateur puisquil transfre les communications provenant des diffrentes stations de base vers une sortie unique.Dans lautre sens, le contrleur commute les donnes en les dirigeant vers la bonne station de base.

Dans le mme temps, le BSC remplit le rle de relais pour les diffrents signaux dalarme destins au centre dexploitationet de maintenance. Il alimente aussi la base de donnes des stations de base. Enfin, une dernire fonctionnalit importanteest la gestion des ressources radio pour la zone couverte par les diffrentes stations de base qui y sont connectes. En effet,le contrleur gre les transferts inter-cellulaires des utilisateurs dans sa zone de couverture, cest--dire quand une stationmobile passe dune cellule dans une autre. Il doit alors communiquer avec la station de base qui va prendre en charge labonnet lui communiquer les informations ncessaires tout en avertissant la base de donnes locale VLR (Visitor Location Register)de la nouvelle localisation de labonn.

Cest donc un maillon trs important de la chane de communication et il est, de plus, le seul quipement de ce soussystme tre directement grable (via linterface X25 qui le relie au sous-systme dexploitation et de maintenance).

3.2 Le sous-systme rseauLe sous-systme rseau, appel Network Switching Center (NSS), joue un rle essentiel dans un rseau mobile. Alors que

le sous-rseau radio gre laccs radio, les lments du NSS prennent en charge toutes les fonctions de contrle et danalysedinformations contenues dans des bases de donnes ncessaires ltablissement de connexions utilisant une ou plusieursdes fonctions suivantes : chiffrement, authentification ou roaming.

Le NSS est constitu de : Mobile Switching Center (MSC) Home Location Register (HLR) / Authentication Center (AuC) Visitor Location Register (VLR) Equipment Identity Register (EIR)

3.2.1 Le centre de commutation mobile (MSC)

Le centre de commutation mobile est reli au sous-systme radio via linterface A. Son rle principal est dassurer lacommutation entre les abonns du rseau mobile et ceux du rseau commut public (RTC) ou de son quivalent numrique,le rseau RNIS (ISDN en anglais). Dun point de vue fonctionnel, il est semblable un commutateur de rseau ISDN, mis part quelques modifications ncessaires pour un rseau mobile.

De plus, il participe la fourniture des diffrents services aux abonns tels que la tlphonie, les services supplmentaireset les services de messagerie. Il permet encore de mettre jour les diffrentes bases de donnes (HLR et VLR) qui donnenttoutes les informations concernant les abonns et leur localisation dans le rseau.

Les commutateurs MSC dun oprateur sont relis entre eux pour la commutation interne des informations. Des MSCservant de passerelle (Gateway Mobile Switching Center, GMSC) sont places en priphrie du rseau dun oprateur demanire assurer une inter-oprabilit entre rseaux doprateurs.

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FIG. 3 Exemple dantennes GSM (ROCKHAMPTON, QUEENSLAND, AUSTRALIE).

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3.2.2 Lenregistreur de localisation nominale (HLR)

Il existe au moins un enregistreur de localisation (HLR) par rseau (PLMN).Il sagit dune base de donnes avec desinformations essentielles pour les services de tlphonie mobile et avec un accs rapide de manire garantir un tempsdtablissement de connexion aussi court que possible.

Le HLR contient : toutes les informations relatives aux abonns : le type dabonnement, la cl dauthentification Ki cette cl est connue

dun seul HLR et dune seule carte SIM, les services souscrits, le numro de labonn (IMSI), etc ainsi quun certain nombre de donnes dynamiques telles que la position de labonn dans le rseau en fait, son VLR

et ltat de son terminal (allum, teint, en communication, libre, . . .).Les donnes dynamiques sont mises jour par le MSC. Cette base de donnes est souvent unique pour un rseau GSM etseules quelques personnes y ont accs directement.

Le centre dauthentification (AuC). Lorsquun abonn passe une communication, loprateur doit pouvoir sassurer quilne sagit pas dun usurpateur. Le centre dauthentification remplit cette fonction de protection des communications. Pour cefaire, les normes GSM prvoient deux mcanismes :

1. Le chiffrement des transmissions radio. Remarquons quil sagit dun chiffrement faible, qui ne rsiste pas longtemps la crypto-analyse ! Ceci explique sans doute pourquoi, en Belgique, de nombreux toits de btiments de puissancetrangre sont quips dantennes servant exclusivement la rception de signaux GSM...

2. Lauthentification des utilisateurs du rseau au moyen dune cl Ki, qui est la fois prsente dans la station mobile etdans le centre dauthentification.Lauthentification seffectue par rsolution dun dfi sur base dun nombre M gnr alatoirement et envoy aumobile. partir de ce nombre, un algorithme identique (algorithme A3) qui se trouve la fois dans la carte SIM etdans lAuC produit un rsultat sur base de la cl Ki et du nombre M .Ds lors, lorsquun VLR obtient lidentifiant dun abonn, il demande, au HLR du rseau de labonn, le nombre Mservant au dfi et le rsultat du calcul afin de le comparer celui qui sera produit et envoy par le mobile. Si les rsultatsconcordent, lutilisateur est reconnu et accept par le rseau.Grce ce mcanisme dauthentification, un VLR peut accueillir un mobile appartenant un autre rseau (moyennantun accord pralable entre oprateurs de rseau !) sans quil ne soit ncessaire de divulguer la cl de chiffrement dumobile.

On peut ds lors distinguer trois niveaux de protection :

1. La carte SIM qui interdit un utilisateur non enregistr davoir accs au rseau.

2. Le chiffrement des communications destin empcher lcoute de celles-ci.

3. La protection de lidentit de labonn.

3.2.3 Lenregistreur de localisation des visiteurs (VLR)

Cette base de donnes ne contient que des informations dynamiques et est lie un MSC. Il y en a donc plusieurs dansun rseau GSM. Elle contient des donnes dynamiques qui lui sont transmises par le HLR avec lequel elle communiquelorsquun abonn entre dans la zone de couverture du centre de commutation mobile auquel elle est rattach. Lorsquelabonn quitte cette zone de couverture, ses donnes sont transmises un autre VLR ; les donnes suivent labonn enquelque sorte.

3.2.4 Lenregistreur des identits des quipements (EIR)

Malgr les mcanismes introduits pour scuriser laccs au rseau et le contenu des communications, le tlphone mobiledoit potentiellement pouvoir accueillir nimporte quelle carte SIM de nimporte quel rseau. Il est donc imaginable quunterminal puisse tre utilis par un voleur sans quil ne puisse tre repr.

Pour combattre ce risque, chaque terminal reoit un identifiant unique (International Mobile station Equipment Identity,IMEI) qui ne peut pas tre modifi sans altrer le terminal. En fonction de donnes au sujet dun terminal, un oprateur peutdcider de refuser laccs au rseau. Tous les oprateurs nimplmentent pas une telle base de donnes.

3.3 Le centre dexploitation et de maintenanceCette partie du rseau regroupe trois activits principales de gestion : la gestion administrative, la gestion commerciale

et la gestion technique.

9


Le rseau de maintenance technique sintresse au fonctionnement des lments du rseau. Il gre notamment les alarmes,les pannes, la scurit, . . . Ce rseau sappuie sur un rseau de transfert de donnes, totalement dissoci du rseau de com-munication GSM.

3.4 Lacheminement des appels entre le rseau fixe et le rseau GSM : deux scnarios en guisedexemple

Illustrons brivement le fonctionnement des entits dun rseau en traitant deux scnarios typiques simplifis entre unrseau mobile et un rseau fixe :

1. Un abonn GSM compose le numro de tlphone dun abonn du rseau xe.Sa demande arrive dabord au BTS de la cellule puis passe travers le BSC et arrive enfin au MSC qui vrifie lesdroits de labonn (autorisation daccder ce service, tat de labonnement, . . .). Si labonn remplit les conditions,le MSC transmet lappel au rseau public et demande au BSC de rserver un canal pour la communication. Il ne restealors plus qu attendre que le poste fixe soit dcroch pour que la communication soit tablie.

2. Supposons au contraire quun abonn du rseau xe veuille joindre un abonn du rseau GSM.Le fonctionnement est un plus complexe car loprateur GSM nalloue des ressources un abonn que lorsque celuireoit ou met un appel.Le numro compos sur le poste fixe est tout dabord aiguill vers le rseau de labonn GSM. La demande deconnexion est interprte par un commutateur passerelle entrant du rseau GSM il sagit dun GMSC. Le numroform par labonn du rseau fixe nest pas utilis tel quel pour commuter la communication. linstar des numrosverts ou des numros durgence, il y a un mcanisme qui, au droit du GMSC, va convertir le numro de labonn enun autre numro attribu dynamiquement en fonction de la position de lutilisateur. Cest sur base de ce numro dyna-mique que lappel sera re-dirig dans le rseau GSM. Concrtement, le HLR est interrog afin de connatre la positionde lutilisateur du rseau mobile ainsi que son tat (libre, occup, teint). Si le mobile est dans ltat libre, le rseauinterroge alors le VLR de la zone pour savoir dans quelle cellule le mobile se situe. Ainsi, le BSC de la zone demandeaux diffrentes stations de base de sa zone de diffuser un avis dappel. Comme le mobile est libre, le destinatairecoute le rseau et saperoit quon tente de le joindre et la sonnerie du terminal est active. Une fois que lutilisateura dcroch, un canal de communication est allou lappel et les bases de donnes VLR et HLR sont mises jour.

4 Description du canal physiqueDans un rseau GSM, deux techniques de multiplexage sont mises en uvre : le multiplexage frquentiel (FDMA) et le

multiplexage temporel (TDMA).

4.1 Multiplexage frquentielDans sa version 900 [MHz], la norme GSM occupe deux bandes de 25 [MHz] ; lune est utilise pour la voie montante

(890, 2 915 [MHz]), lautre pour la voie descendante (935, 2 960 [MHz]). Il est galement dfini que chaque porteusede cellule possde une densit spectrale confine dans une bande de 200 [kHz] ce qui signifie que, thoriquement, on peutdisposer de 124 canaux. Notons au passage que la bande de frquences du DCS-1800 tant plus large, elle peut contenir 374canaux.

Aussi, si on indique par Fu les frquences porteuses montantes et par Fd les frquences porteuses descendantes, lesvaleurs de frquence porteuse valent

Fu(n) = 890, 2 + 0, 2 (n 1) [MHz] (2)Fd(n) = 935, 2 + 0, 2 (n 1) [MHz] (3)

o 1 n 124. Connaissant les canaux disponibles, il est alors possible deffectuer un multiplexage frquentiel enattribuant un certain ensemble de frquences porteuses par oprateur GSM cest le rle du rgulateur, lIBPT6 en Belgiqueet loprateur choisit son plan de frquences en allouant une ou plusieurs frquences par station de base. Proximus utilise lescanaux 1 30 et 61 90, Mobistar sest vu attribuer les canaux 31 60 et 91 120 ; quant aux canaux restants (121 124),ils ont t rservs pour les tlphones sans fil. Base (nomm Orange auparavant) nopre pas dans la bande des 900 [MHz].Par contre, la bande DCS-1800 est utilise par les 3 oprateurs (Base, Mobistar et Proximus).

6http://www.ibpt.be

10


4.2 La modulationEn raison de la forte variabilit de lamplitude des signaux dans un environnement mobile, on prfre recourir un

technique de modulation angulaire pour ce type denvironnement. La technique de modulation utilise pour porter le signal haute frquence est la modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Comme le suggre son nom, il sagit dunevariante dune modulation MSK appartenant la famille des modulations de frquence (FM) numriques. On utilise la GMSKcar, en raison de la transition rapide entre 2 frquences (fc 4f et fc +4f ), la modulation par MSK aurait ncessit unetrop large bande de frquences.

La modulation GMSK consiste en une modulation de frquence deux tats portant non pas sur la squence originalemais sur une nouvelle squence dont le bit n est produit comme le rsultat de la fonction du OU exclusif (XOR) entre le bitcourant et le bit prcdent. Aprs application du XOR, le signal est filtr. La figure 4 montre la cration dun signal modulpar GMSK.

t

t

t

Squence

Aprs XOR

Signal GMSK

originale

FIG. 4 Cration dun signal modul par GMSK au dpart dun train binaire.

Au bout du compte, il faut une largeur de 200 [kHz] par frquence porteuse. Sachant que le dbit atteint 270 [kb/s],on atteint un rapport du dbit largeur de bande, appel efcacit spectrale, proche de 1. Cette valeur est typique pour desenvironnement mobiles, ce qui signifie que, pour doubler le dbit, il ny a dautre solution que de doubler la largeur de bande.

4.3 Multiplexage temporelTant pour des questions dinterfrences lectromagntiques que pour des raisons daugmentation de capacit, le mul-

tiplexage frquentiel se double dune multiplexage temporel. Le multiplexage temporel consiste diviser chaque canal decommunication en 8 intervalles de temps de 0, 577 [ms] chacun.

Dfinition 2 [Trame] On dnit ds lors une trame lmentaire de 8 intervalles pour une dure de 8 0, 577 =4, 615 [ms].

Comme il est exclus de transmettre toutes les informations en une fois, il faut dcouper linformation et la transmettre aumoyen de plusieurs trames conscutives. La norme GSM prvoit une organisation spcifique de structure hirarchique detrames. Cette hirarchie est dessine la figure 5. Les trames sont regroupes comme suit :

1 multitrame de type 26 = 26 trames TDMA lmentaires et 1 multitrame de type 51 = 51 trames TDMA lmentaires, 1 supertrame de type 26 = 26 multitrames et 1 supertrame de type 51 = 51 mutlitrames 1 hypertrame = 2048 supertrames = 2.715.648 trames.

La structure en trames est mettre en relation avec la typologie des informations vhicules, dont il est question dans cetarticle la section 5.3.

4.4 Mcanismes de protection contre les interfrences radio-lectriquesLe canal dune communication avec un mobile est changeant et sujet perturbations. Plusieurs mcanismes sont donc

mis en uvre pour rduire limpact des interfrences.

4.4.1 Le saut de frquences ou Frequency Hopping

Pour protger les canaux dune source radio parasite, la frquence porteuse utilise pour transmettre une salve de donnesfluctue au cours du temps. Cest le principe du saut de frquence ou du Frequency Hopping (FH) ; il est illustr la figure 6.

11


0 1 2 p p pp p p

q q

q q

3 4 5 6 7

0 1 2 43 4746 48 49 50

3 4 50 1 2

r r

r r

s s

s s

0 1 49 502t t t

t t t

u u u

u u u

0 1 2 24 25

v v v v v v v v

v v v v v v v v

v v v v v v v v

w w w w w w w

w w w w w w w

w w w w w w w

x x x

x x x

x x x

y y y

y y y

y y y

z z z z z z z

z z z z z z z

z z z z z z z

{ { { { { { {

{ { { { { { {

{ { { { { { {

156.25 bits =0.577 ms

148 bits =0.428 ms

0 1 2 24 25

Signal

2043 204420452046 2047

[dB]

temps [ms]

level

Supertrame 26

Multitrame 26

Hypertrame

Supertrame 51

Slot

Trame

Multitrame 51

FIG. 5 Organisation des multiples de trames.

Ainsi, si un moment dtermin, une bande de frquences est sujette fortes perturbations, seule une petite quantit dedonnes sera perturbe.

La norme GSM dfinit un parcours de frquence cyclique ou pseudo-alatoire, comprenant au plus 64 frquences por-teuses. Habituellement, un algorithme standardis gnre une suite pseudo-alatoire de nombres si compris dans une liste deN frquences disponibles pour les sauts.

La configuration des sauts se fait au moyen de paramtres tels que : le Cell Allocation (CA), la liste des numros des frquences utilises dans une cellule, le Mobile Allocation (MA), la liste des numros des frquences disponibles pour les sauts7, le Hopping Sequence Number (HSN), une valeur comprise entre 0 et 63, servant initialiser le gnrateur pseudo-

alatoire, et le Mobile Allocation Index Offset (MAIO), une valeur comprise entre 0 et 63 qui indique quel dcalage doit tre utilis.

Cette valeur de dcalage est convenue linitialisation de lappel et elle diffre dun mobile lautre.Loprateur choisit le nombre de frquences prendre pour chaque numro de trame lmentaire (appele slot). Nanmoins,il doit tenir compte de la ncessit dun mobile entrant dans le rseau de pouvoir communiquer. Pour cela, on fige la frquenceporteuse de certains slots dans le sens de la station de base vers le mobile. Ce canal a pour fonction essentielle de permettre aumobile de se rattacher la station de base la plus favorable. Il sagit par exemple du slot 0 pour lequel on fige une frquenceet on nautorise le saut que sur 3 frquences (pour les appels en cours sur le slot 0) au lieu de 4 pour les autres slots.

Signalons quil nest pas possible de passer de la bande 900 [MHz] la bande 1800 [MHz] pour effectuer le saut defrquence. Autrement dit, les ressources radio des bandes GSM et DCS-1800 ne sont jamais mlanges.

4.4.2 Dcalage temporel des envois

Pour permettre le basculement dun mobile du mode rception en mode mission, la norme GSM prvoit un dcalage de3 slots. Plus prcisment, le mobile met des informations 3 slots aprs rception des signaux envoys par la station de base.

Malgr tout, les informations envoyes par les diffrents mobiles autour dune mme frquence porteuse entre en collisionau droit de la station de base si la distance entre les mobiles et lantenne est fort diffrente dun mobile lautre. Pour viterdes collisions, certains mobiles (les plus distants) doivent avancer le moment de lenvoi. La dure de lavance temporelle delenvoi est appele Timing Advance (TA). Elle est fournie dynamiquement par la station de base.

7Il y en a au maximum 64.

12


|

|}

}

~

~

trame TDMA temps

slot

Canal physique sans saut de frquences

Frquences

porteuse C3

porteuse C2

porteuse C1

porteuse C0

FIG. 6 Principe du saut de frquence (daprs [2, page 169]).

4.4.3 Le codage

Pour protger les informations des erreurs qui peuvent se produire lors des communications radio et ainsi rduire le tauxderreur sur bit, trois techniques de codage sont appliqus :

1. Un codage en bloc qui ajoute un bit de parit au bloc et qui permet la dtection dun nombre impair derreurs.2. Un codage rcurent (algorithme de VITERBI). Linformation nest plus sectionne en parties indpendantes mais

certains bits de redondance sont placs rgulirement dans le code.

3. On effectue galement un entrelacement par blocs de 464 bits. Cet entrelacement consiste rpartir les blocs selon unemthode dfinie. Ainsi, si le canal perturbe une suite de bits conscutifs, laltration sera diffuse sur un grand nombrede blocs plutt que sur la totalit dun bloc ; les blocs affects pourront alors tre corrigs grce aux bits redondants.

5 Protocoles

5.1 Pile de protocolesLa figure 7 reprsente larchitecture des protocoles GSM des diffrents lments du rseau. Au niveau applicatif, on dis-

tingue les protocoles suivants qui, au travers de diffrents lments du rseau, relient un mobile un centre de communication(MSC) :

1. Le protocole Call Control (CC) prend en charge le traitement des appels tels que ltablissement, la terminaison et lasupervision.

2. Le protocole Short Message Service (SMS) qui permet lenvoi de courts messages au dpart dun mobile. La longueurdun SMS est limit 160 caractres de 7 bits, soit 140 bytes.

3. Le protocole Supplementary Services (SS) prend en charge les complments de services. La liste de ces services estlongue mais, titre dexemple, citons le Calling Line Identication Presentation (CLIP), le Calling Line IdenticationRestriction (CLIR) et le Call Forwarding Unconditional (CFU).

4. Le protocole Mobility Management (MM) gre lidentification, lauthentification sur le rseau et la localisation dunterminal. Cette application se trouve dans le sous-rseau de commutation (NSS) et dans le mobile car ils doivent tousdeux connatre la position du mobile dans le rseau.

13


RR

LAPDm LAPD

MICradio

RR

LAPD LAPD

MIC MIC

LAPD

MIC

SSSMSCC

MM

RR

LAPDm

MM

SMSCC SS

radio

AAir Abis

Terminal mobile Station de base CommutateurContrleur de station de base

FIG. 7 Piles de protocoles de diffrents sous-systmes du rseau GSM (daprs [3, page 58]).

5. Le protocole Radio Ressource management (RR) soccupe de la liaison radio. Il interconnecte une BTS et un BSC carce dernier gre lattribution des frquences radio dans une zone.

Les trois premiers protocoles applicatifs pr-cits (CC, SMS et SS) ne sont implments que dans les terminaux mobiles etles commutateurs ; leurs messages voyagent de faon transparente travers le BSC et le BTS.

5.2 Les interfaces A-bis, A et X25Prsentons brivement les trois types dinterface qui relient le BSC respectivement la station de base (interface A-bis),

au commutateur (interface A) et au centre dexploitation et de maintenance (interface X25).

5.2.1 Linterface A-bis

La couche physique est dfinie par une liaison PCM 2 [Mb/s]8 (recommandation de la srie G de lITU) et la coucheliaison de donnes est compose du protocole Link Access Protocol D-channel (LAPD).

Comme le canal de liaison PCM a un dbit unitaire de 64 [kb/s] et que le dbit par canal radio GSM est de 13 [kb/s], ilfaut donc adapter le dbit. Cette fonction est appele transcodage et elle est ralis dans une unit appele TranscodingRate and Adaptation Unit (TRAU). Deux solutions sont techniquement possibles et rencontres dans les rseaux GSM :

1. Mutliplexer quatre canaux 13 [kb/s] pour produire un canal 64 [kb/s].

2. Faire passer le dbit de chaque canal 64 [kb/s].

Tout est affaire de compromis et de choix. Lavantage de la premire solution est de diminuer le dbit entre la station de baseet le BSC o le trafic est fortement concentr. La seconde solution offre par contre lavantage de banaliser les quipements dusystme en ramenant tous les quipements 64 [kb/s]. Souvent, la deuxime solution est utilise au niveau des commutateurset la premire au niveau du BSC afin de garder lavantage du faible dbit de parole.

5.2.2 Linterface A

La couche physique est toujours dfinie par une liaison PCM 2 [Mb/s] mais cest le protocole CCITT numro 7 quiest utilis pour la couche liaison de donnes.

5.2.3 Linterface X25

Cette interface relie le BSC au centre dexploitation et de maintenance (OMC). Elle possde la structure en 7 couches dumodle OSI.

8Une telle liaison offre 32 canaux 64 [kb/s].

14


5.3 Typologie des paquetsChaque trame consiste en un certain nombre de bits. Ces bits sont organiss suivant une structure qui diffre en fonction

du protocole applicatif mis en uvre pour chaque slot mais aussi de ltat intermdiaire du protocole considr.La dure dun paquet (0, 577 [ms]) correspond lmission de 156, 25 bits, dont 114 bits de message net. En admettant

que les slots se suivent sans interruption, un simple calcul ( 156,250,577103

) montre que le dbit maximum vaut 270 [kb/s]. Enpratique, le dbit maximum utile (en mode full-rate) ne dpasse pas 13 [kb/s] en raison des bits ncessaires la correctionderreurs. Pour la transmission des donnes, cette limite descend mme 9, 6 [kb/s] en raison de la sur-protection ncessaire la garantie dun taux derreur acceptable.

La norme dfinit 5 types de paquets fonctionnels, appels bursts dans la terminologie GSM :

1. Les bursts daccs qui sont envoys par les mobiles lorsquils veulent entrer en contact avec le rseau.2. Les bursts de synchronisation qui contiennent les informations sur la localisation et les frquences utilises.3. Les bursts normaux qui transportent les messages.4. Les bursts de correction de frquence.5. Les bursts de bourrage (dummy packet) qui sont placs dans les espaces vides si aucune donne ne doit tre envoye.

Pour tre prcis, ce burst est compos de 2 salves de 58 bits prfixs interrompus par une squence dentranement de26 bits.

Tous les types de burst ont une forme semblable. Ils sont composs, dans lordre, de : bits den-tte (tail bit, TB), ncessaires la synchronisation. Ils correspondent toujours au code 000 sauf pour les bursts

daccs. 148 bits utiles dont le format dpend du type de burst. bits de fin, aussi appels tail bit, termins par une priode temporelle de garde requise pour permettre lmetteur de

rduire sa puissance de 70 [dB]. Elle sert aussi compenser la dure de transmission qui est variable pour la rceptiondun paquet au suivant si le mobile a boug.

La structure des 5 types de burst est reprsente la figure 8.

5.3.1 Le burst daccs

Ce burst est mis, sur un canal ddi, par la station mobile lorsquelle cherche entrer en contact avec le rseau soit pourltablissement dune communication, soit pour un handover. Il est le plus court des quatre types car il ne contient que 77bits (41 bits de synchronisation et 36 bits dinformation). Son temps de garde est de 68, 25 bits, soit 0, 252 [ms]. Ce tempsde garde permet de tenir compte de grandes cellules et dtablir ainsi une communication avec un mobile distant jusqu35 [km].

En calculant la dure de voyage dun burst, la station peut asservir linstant du dbut dmission pour compenser leretard entran par la propagation des ondes. En effet, lhorloge interne des rcepteurs est synchronise grce un top desynchronisation envoy par la station de base.

5.3.2 Le burst de synchronisation

Pour ce type de burst, 78 bits dinformations sont vhiculs pour les stations mobiles. Ces bits contiennent les renseigne-ments concernant les frquences utiliser et la localisation (identit de la station de base, de la zone et de la cellule).

5.3.3 Le burst normal

Ce burst transporte 2 57 = 114 bits dinformation spares par 26 bits qui sont une squence dapprentissage destine rgler les paramtres de rception. De plus, la zone TB correspond 8, 25 bits. Enfin, il faut ajouter cela 2 bits qui indiquesil sagit dun canal de donnes ou dun canal de signalisation et 6 bits pour marquer la monte ou la descente en amplitude.

5.3.4 Le burst de correction de frquence

Le type de burst au format le plus simple. La station de base envoie 142 bits de donnes servant prvenir des interf-rences possibles avec des frquences voisines.

5.3.5 Le burst de bourrage

Lorsquun mobile est allum, le terminal teste le niveau de puissance des frquences des cellules proches pour dterminerla station de base laquelle il doit sasservir. Le burst de bourrage (dummy burst) est une squence prdfinie qui sert doncdtalon de puissance. Il est aussi utilis pour forcer une dcision de handover.

15


3 4 710 2 5 6

burst daccs

burst normal

burst de synchronisation

TB

TB

TB TB

TB

TB GP de 68,25 bits

GP

GP57 bits 1 1 57 bitschiffrs26 bits

chiffrs39 bits 39 bits

chiffrs64 bits de synchro

36 bitschiffrs41 bits de synchro

TB TB GP

burst de bourrage

TB TB GP142 bits xes (tous 0)burst de correction de frquence

142 bits prdnis

FIG. 8 Structures des 5 types de burst dfinis par la norme GSM (daprs la norme et [4, page 140]).

16


Rfrences[1] G. Heine. GSM networks : protocols, terminology, and implementation. Artech House, 1999.[2] X. Lagrange, P. Godlewski, et S. Tabbane. Rseaux GSM-DCS. Herms, troisime edition, 1997.[3] J. Tisal. Le rseau GSM. Lvolution GPRS : une tape vers UMTS. Dunod, troisime edition, 1999.[4] B. Walke. Mobile Radio Networks : networking, protocols and trafc performance. John Wiley & Sons, 2002.

GlossaireAuC Authentication Center. Centre dauthentification (li un HLR) utilis dans les rseaux GSM. . . . . . . . . . . . . 7authentification Fonction cryptographique qui consiste identifier une personne. Cette fonction peut tre assure

par diffrentes implmentations dont PGP par exemple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

BSC Base Station Controller. Station qui contrle les communications dun groupe de cellules dans un rseau de commu-nications GSM. Elle concentre le trafic de plusieurs BTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

BTS Base Transceiver Station. Station de base dun rseau GSM. Elle permet notamment dmettre et de recevoir unsignal radio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

CA Certication Authority ou Cell Allocation. Lautorit de certification est une entit dun systme transactionnel lec-tronique scuris. Gnralement, cette autorit dlivre et vrifie des certificats. Dans la terminologie GSM, il sagit dela liste des numros de frquences utilises dans une cellule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

CDMA Code Division Multiple Access. Technologie de transmission numrique permettant la transmission de plusieursflux simultans par rpartition de code. Cette technologie permet une utilisation permanente de la totalit de la bandede frquences alloue lensemble des utilisateurs. La technologie prvoit un mcanisme daccs aux ressources. 4

cellule En radiocommunications, zone gographique lmentaire dun rseau radiocellulaire laquelle on affecte unensemble de frquences non rutilisables dans les zones contigus. Cest galement le nom donn un paquet ATM quia une taille de 53 bytes dont 48 sont destines recevoir les donnes dun utilisateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

CFU Call Forwarding Unconditional. Numro de tlphone vers lequel tout appel est redirig la demande de labonnappel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

chiffrement Terme qui dsigne laction de chiffrer un texte, des informations ou des donnes. Le chiffrement consiste transformer un texte de sorte quil faille une cl pour comprendre le message. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

CLIP Calling Line Identication Presentation. Service complmentaire de tlphonie qui consiste afficher le numro ducorrespondant sur le terminal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

CLIR Calling Line Identication Restriction. Service complmentaire de tlphonie qui empche que le numro du cor-respondant napparaisse sur le terminal dun utilisateur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

concentrateur Organe permettant de concentrer le trafic et pouvant possder une intelligence capable de grer di-verses commutations et divers protocoles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

dcibel Unit, note dB, servant mesurer la puissance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2DCS Digital Communication System. Un systme GSM port de la bande de frquences des 900 [MHz] vers 1800 [MHz].

Le systme DCS-1800 a plus de canaux (374) mais les protocoles et services sont quasi identiques. . . . . . . . . . . 4

EIR Equipment Identity Register. Identifiant destin permettre de dsactiver un tlphone mobile (GSM) qui aurait tvol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

FDMA Frequency Division Multiple Access. Technique de rpartition de ressources par multiplexage frquentiel. Cettetechnique prvoit un mcanisme daccs aux ressources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4, 9

FH Frequency Hopping. Technique du saut de frquences qui consiste modifier la frquence porteuse dun sigal modulen suivant une liste pr-dtermine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

FM Frequency Modulation. Modulation de frquences. Technique par laquelle on module la frquence instantane duneporteuse au moyen du signal modulant transmettre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

GMSC Gateway Mobile Switching Center. Centre de commutation pour mobile semblable un MSC. Il est plac en bordurede rseau dun oprateur GSM de manire permettre linterconnexion avec dautres rseaux. . . . . . . . . . . . . . 7

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying. Nom de la technique de modulation numrique utilise pour la transmission radiodes mobiles GSM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

GPRS General Packet Radio Service. Technologie de transmission par paquets facilitant laccs Internet haut dbit parGSM. Le dbit peut varier de 56 jusqu 115 [kb/s]. Il est galement possible dtablir des connexions permanentes. 1

17


GSM Global System for Mobile Communications. Standard de tlphonie mobile adopt en Europe, en Asie et en Australie.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1, 3

handover Terme dsignant le mcanisme par lequel un mobile peut transfrer sa connexion dune station de base versune autre ou, sur la mme station, dun canal radio vers un autre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

HLR Home Location Register. Base de donnes centrale dun rseau GSM contenant toutes les informations relatives auxabonns du rseau (profil, position actuelle, . . .). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

HSN Hopping Sequence Number. Une classe de paramtres, dfinis dans la norme GSM, pour configurer la squence deporteuses utilises pour des sauts de frquences. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

hypertrame Lunit temporelle la plus longue de la hirarchie GSM. Elle totalise 3 heures, 28 minutes, 53 secondes et760 millisecondes. Elle est compose de 2048 supertrames, composes elles-mmes de 1326 multitrames. . . . . . 10

IMEI International Mobile station Equipment Identity. Numro unique identifiant un terminal GSM ; il est indpendantdu numro dabonn et il permet de dsactiver un quipement vol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

IMSI International Mobile Subscriber Identity. Numro international unique dun abonn GSM. . . . . . . . . . . 4, 5, 7IS-95 Norme amricaine de rseau cellulaire (dit de seconde gnration ou 2G) base sur la mthode daccs CDMA. 4ISDN Integrated Services Digital Network Dsigne le rseau tlphonique numrique RNIS. . . . . . . . . . . . . . . . . 7

LAPD Link Access Protocol D-channel. Protocole de liaison de donnes utilise dans le rseau GSM. Il est dfini dans lafamille des recommandations X25 de lITU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

MA Mobile Allocation. Liste des numros de frquences utilisables pour des sauts de frquences dans un rseau GSM. 10MAIO Mobile Allocation Index Offset. Dcalage permettant chaque terminal GSM dutiliser une srie de frquences

diffrentes dun mobile lautre pour les sauts de frquence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10MCC Mobile Country Code. Nombre 3 chiffres identifiant un pays (Belgique = 206, France = 208). . . . . . . . . . . . 5MNC Mobile Network Code. Un nombre 2 chiffres utilis par identifier un PLMN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5MSC Mobile Switching Center. Centre de commutation pour mobile. Cet quipement ralise la commutation des appels

dune ou plusieurs cellules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 11MSISDN Mobile Subscriber ISDN. Numro dabonn au rseau GSM. Il est possible davoir plusieurs numros (pour des

services diffrents) au sein dune seule carte SIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4, 5MSK Minimum Shift Keying. Technique de modulation numrique consistant effectuer une fonction XOR entre 2 bits

successifs pralablement une modulation de frquence 2 tats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

NSS Network Switching Center. Sous-systme dun rseau de tlphonie mobile. Cest la partie qui prend principalementen charge la commutation des appels, la signalisation et lidentification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7, 12

PCM Pulse Code Modulation. Nom amricain pour dsigner la modulation par impulsions codes (MIC). Cette technique,utilise principalement en tlphonie, convertit un signal analogique en un signal de tlphonie numrique 64 [kb/s].En toute rigueur, on ne devrait pas parler de modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

PIN Personal Identication Number. Code (mot de passe) ncessaire chaque connexion dun GSM au rseau. . . . 4, 5PLMN Public Land Mobile Network. Il sagit du rseau GSM, DCS ou PCS dun oprateur dans un pays. Le Network

Color Code" identifie un PLMN dans un pays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5PUK PIN Unblocking Key. Code ncessaire au dverrouillage dune carte SIM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

RNIS Rseau Numrique Intgration de Services. Dsigne le rseau tlphonique numrique. Au niveau du rseau, lessignaux numriques utiles sont transmis des multiples de 64[kb/s]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

roaming Nom anglais pour dsigner le fait quun utilisateur de GSM peut se dplacer dune cellule lautre ou dunrseau un autre sans rupture de connexion. Labonn qui utilise sa carte SIM est factur par son oprateur. Cetteopration est rendue possible grce aux accords de roaming conclus entre les diffrents oprateurs. . . . . . . . . . 5, 7

RTC Rseau Tlphonique Commut. Terme technique dsignant le rseau tlphonique fixe. . . . . . . . . . . . . . . . . 2

SIM Subscriber Identity Module. Micro-processeur implant dans une carte. Par extension, on parle de la carte SIM. Elleest insre dans un GSM pour raliser une srie de fonctions et contenir une mini-base de donnes. . . . . . . . . . . 4

SMS Short Message Service. Systme permettant lenvoi de messages comprenant au plus 160 caractres (de 7 bits), soit140 bytes, un tlphone GSM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

TA Timing Advance. Le dcalage temporel utilis pour prvenir les collisions entre messages envoys par diffrents mo-biles vers une station de base dans un rseau GSM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

TDMA Time Division Multiple Access. Technique de rpartition de ressources par multiplexage temporel. Cette techniqueprvoit un mcanisme daccs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4, 9

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TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity. Numro attribu temporairement un utilisateur GSM en fonction de salocalisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

trame En traitement dimages, la trame est la grille dchantillonnage. On considre gnralement la trame carre mais latrame peut aussi tre rectangulaire ou hexagonale. Dans le cas du format entrelac, la trame dsigne une image ne conte-nant que les lignes paires ou impaires de limage. En tlcommunications, trame dsigne un ensemble dinformationsnumriques temporelles constituant un tout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

transcodage Aussi appel transrating. Il sagit dun procd de changement du dbit dun signal comprim. . . . 12TRAU Transcoding Rate and Adaptation Unit. Unit de transcodage utilise dans les rseaux GSM pour convertir un signal

de 13 [kb/s] en un signal de 64 [kb/s] et vice-versa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

UMTS Universal Mobile Telecommunications System. Nom du standard de tlphonie mobile de troisime gnration pourlEurope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1, 4

VLR Visitor Location Register. Registre local dune zone comprenant plusieurs cellules dun rseau GSM. Ce registrecontient lidentit des utilisateurs prsents dans la zone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

X25 Srie de protocoles, dfinis par lITU, destins la transmission de donnes. Leur utilisation est aujourdhui largem-ment suplante par lutilisation des protocoles technologie Internet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

XOR eXclusive OR. Fonction logique du OU exclusif. Le rsultat de la fonction vaut 0 si les deux tats sont 0 ou 1. Ilvaut 1 dans les autres cas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

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IntroductionHistoriquevolution technologique

La technologie GSMLe concept cellulaireRutilisation des ressourcesEstimation du rapport de puissance porteuse bruit

Synthse des principales caractristiques du GSM

Architecture du rseauLe sous-systme radioLe mobileLa station de base (BTS)Le contrleur de station de base (BSC)

Le sous-systme rseauLe centre de commutation mobile (MSC)L'enregistreur de localisation nominale (HLR)L'enregistreur de localisation des visiteurs (VLR)L'enregistreur des identits des quipements (EIR)

Le centre d'exploitation et de maintenanceL'acheminement des appels entre le rseau fixe et le rseau GSM: deux scnarios en guise d'exemple

Description du canal physiqueMultiplexage frquentielLa modulationMultiplexage temporelMcanismes de protection contre les interfrences radio-lectriquesLe saut de frquences ou Frequency HoppingDcalage temporel des envoisLe codage

Protocoles Pile de protocolesLes interfaces A-bis, A et X25L'interface A-bis L'interface AL'interface X25

Typologie des paquetsLe burst d'accsLe burst de synchronisationLe burst normalLe burst de correction de frquenceLe burst de bourrage

Glossaire

demoulin2004principes.pdf

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