gsm concept cellulaire

44
  Concepts Cellulaires 1 Concepts Cellulaires Concepts Cellulaires 2  Table des Matières 1. Introduction............. .............. .............. .............. ........................................... .............. .............. ............... ............3 2. Chaîne de transmission numérique ............. .............. ............... .............. ............................ .............. ........5 3. La ressource radio ............. .............. .............. ............... .............. .............. .............. .............. ............... ......... 45 3.1. Le Duplex ............. .............. .............. .............. ........................................... .............. .............. ............... ......... 45 3.2. L’Accès .............. .............. .............. ............... .............. .............. .............. ........................................... .............. 47 4. Un peu d’Ingénierie Radio ............. .............. ............... .............. .............. .............. .............. ............... ......... 53 5. La planification des ressources............. .............. .............. .............. ............... .............. .............. .............. 61 6. Quelques points systèmes............. .............. ............... .............. .............. .............. .............. ............... ......... 75 6.1. Gestion de la Mobilité............................ .............. .............. .............. ............... .............. .............. .............. 75 6.2. Gestion de la Sécurité ........................... .............. .............. .............. ............... .............. .............. .............. 81

Upload: benmeri-ouarda

Post on 13-Jul-2015

385 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 1/44

  Concepts Cellulaires 1

Concepts Cellulaires 

Concepts Cellulaires 2

 Table des Matières

1.  Introduction.........................................................................................................................................................32.  Chaîne de transmission numérique ..........................................................................................................5

3.  La ressource radio ........................................................................................................................................ 45

3.1.  Le Duplex ...................................................................................................................................................... 45

3.2.  L’Accès ............................................................................................................................................................47

4.  Un peu d’Ingénierie Radio .......................................................................................................................... 53

5.  La planification des ressources................................................................................................................61

6.  Quelques points systèmes.......................................................................................................................... 75

6.1.  Gestion de la Mobilité...............................................................................................................................75

6.2.  Gestion de la Sécurité ..............................................................................................................................81

Page 2: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 2/44

  Concepts Cellulaires 3

1. Introduction Avant d’aller plus loin dans la description du système, nous allons regarder certains concepts communs à tous les systèmes radios qu’ils soient de 2ème génération (GSM, IS95, ...) ou de 3ème génération (UMTS,CDMA2K,..), à savoir pêle-mêle :

la voie radio.l’ingénierie radio.

la chaîne de transmission numérique.

l’itinérance.

la mobilité.

la sécurité.

La suite des chapitres doit s’apprécier comme un vaste rappel de notions plus ou moins connues de tous,et non comme un cours académique sur les différents thèmes abordés.

Concepts Cellulaires 4

!

"#"$

"

"

!

"

"

Notes : 

Page 3: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 3/44

  Concepts Cellulaires 5

2. Chaîne de transmission numérique

Les systèmes actuels sont tous des systèmes numériques. En ce sens, ils respectent le schéma detransmission suivant :

Ce système est numérique car tous les signaux traités le sont. On a :

Source/Destinataire : 

La source produit un signal numérique à transmettre et le destinataire le traite. Une source numériquedélivre des symboles 0 ou 1 et est caractérisée par un débit Ds exprimé en bits/s.

La source numérique peut être pure (fichier de data), ou bien obtenue après échantillonnage d’unesource analogique. Lors de cette phase d’échantillonnage il faudra veiller à respecter le théorème de

Shannon :

 Théorème de Shannon 

On ne perd pas d'information en reconstruisant un signal à partir de ses échantillons si la fréquenced'échantillonnage est au moins égale à deux fois la plus élevée des fréquences contenues dans le spectredu signal qu'on échantillonne : 

Source Protection Emetteur

Destinataire Déprotection Récepteur

Canal de Propagation%% %%

  Concepts Cellulaires 6

&'"#"$

Notes : 

Page 4: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 4/44

  Concepts Cellulaires 7

 Ainsi pour une source vocale dont on sait que la partie informative est située en dessous de 4 kHz ilfaudra après filtrage antirepliement [300Hz, 3400 Hz] utiliser f ech = 8 kHz (T ech =125

 

s) pour l’échantillonnage. Cet échantillonnage est celui utilisé pour les signaux téléphoniques classiques. Sil’on souhaite traiter des signaux vocaux en cherchant à restituer plus que la partie informative ilfaudra veiller à augmenter cette fréquence d’échantillonnage tout en veillant à choisir le filtreantirepliement correspondant à la bande de travail. En téléphonie on peut par exemple traiter des

signaux à bande élargie de 50 Hz à 7000 Hz échantillonnés à 16 kHz, pour des applications audio ontraitera alors des bandes de l’ordre de 20 kHz et on aura alors besoin d’échantillonner à plus de 40 kHz.(Compact Disc - f ech = 44 kHz).

 Après la phase d’échantillonnage il convient de procéder à la quantification. En première approximation,cette fonction consiste à remplacer un nombre réel par un nombre entier, par exemple à arrondir l’échantillon réel obtenu lors de la phase d’échantillonnage par le nombre entier le plus proche permispar la table de quantification.

Le nombre N de niveaux permis par la quantification est le paramètre qui dimensionne cette fonction.On choisit souvent ce nombre comme une puissance de 2, on a N = 2R  avec R nombre de bitsnécessaires pour représenter les échantillons.

L’ensemble échantillonneur/quantificateur devient ainsi un convertisseur Analogique Numérique (CAN)dont les caractéristiques sont :

Fréquence d’échantillonnage f ech 

Nombre de bits de la quantification : R  

Rapport Signal à Bruit (RSB) dB N  N S

dB76.102.6 += (Convertisseur scalaire uniforme)

Débit du convertisseur Dconv  = R*f ech 

 Ainsi la source vocale précédemment évoquée s’avère devenir une source numérique de débit Ds = 104kbits/s si la fréquence d’échantillonnage est 8 kHz et le nombre de bits retenus pour la quantificationest 13 (le RSB est alors 80 dB ce qui suffit pour de la parole en bande téléphonique).

Concepts Cellulaires 8

#"(

Notes : 

Page 5: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 5/44

Page 6: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 6/44

Page 7: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 7/44

Page 8: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 8/44

Page 9: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 9/44

Page 10: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 10/44

Page 11: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 11/44

Page 12: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 12/44

Page 13: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 13/44

  Concepts Cellulaires 25

Emission/Réception : 

Ce paragraphe traite essentiellement de la partie radio et de l’art et la manière de positionner del’information binaire sur la voie radio par des techniques de modulation ainsi que la façon de réaliser l’opération inverse : la démodulation.

Le processus de modulation consiste à faire varier des paramètres d’un signal appelé onde porteuse (ou

signal porteur) selon le signal du message à transmettre. Le récepteur en observant les variations deces paramètres est capable de restituer le message original : c’est la démodulation. En général le signalporteur est du type sinusoïdal de fréquence f0.

Les modulations classiques sont d’amplitude (AM), de fréquence (FM) ou de phase (PM). Mais pour lesmodulations numériques (nom donné aux modulations transportant des sources d’informations

 binaires) on peut imaginer de coupler les techniques (phase et amplitude).

Concepts Cellulaires 26

)

J; I"

<<I"

3"

$

>/

I"

I"

3"

$

>/

I"

%%>,9%%>,9

>,

> &9(

&,9

>%/47

>,

> &9(

&,9

>%/47

Notes : 

Page 14: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 14/44

  Concepts Cellulaires 27

La modulation mathématique d’une modulation est celle dite I&Q. Cela consiste à considérer unedouble modulation d’amplitude et de phase. On a mathématiquement :

Qui devient :

 Avec

L’information binaire est portée conjointement par l’amplitude et la phase. La façon de créer les deux signaux i (t) et q (t) à partir de l’information numérique présentée est un problème crucial. On distingueplusieurs écoles :

Les modulations QAM (Quadrature Amplitude Modulation) pour lesquelles l’amplitude et la phase portent l’information. Un symbole radio consiste donc en 1 point complexe caractérisépar son amplitude a(t) et sa phase φ(t) qui restera inchangé durant toute la durée du symbole Ts.

 A chaque symbole, toutes les transitions entre symbole sont permises.

On peut chercher à privilégier la phase et laisser invariante l’amplitude. Un symbole radio est   juste caractérisé par un angle qui reste inchangé durant toute la durée de transmission dusymbole. C’est le cas des modulations PSK (Phase Shift Keying – MDP en français). A chaquesymbole, toutes les transitions sont permises. La plus classique reste la BPSK (1bit par symbole{0,π}).

Il ne faut par pour autant négliger les modulations utilisant la fréquence comme support del’information binaire. C’est la modulation FSK (Frequency Shift Keying). Plutôt que de considérer M=2n fréquences f i différentes pour véhiculer n bits on préférera en radiocommunicationprivilégier les modulations de fréquence à phase continue. L’exemple le plus typique d’une tellemodulation est la MSK.

Concepts Cellulaires 28

M(

Notes : 

Page 15: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 15/44

  Concepts Cellulaires 29

Dans le cas d’une MSK on a :

)2

2cos()( 0 t T 

t  f  At  ps

π π  ±=  

 Avec la MSK on module 1 bit par symbole (comme une BPSK), mais en contraignant le déplacement inter symbole. Pour une QAM ou une PSK quelconque on peut sans soucis passer d’un symbole à l’autre par n’importe quel chemin. Durant la transition, l’amplitude peut subir de violentes

 variations même si tous les symboles retenus sont au final de mêmes amplitudes (cas PSK). AvecMSK (ou toute autre modulation de fréquence à phase continue) on contraint l’amplitude à rester constante durant la transition. Cela simplifie le design des modules radios et permet d’avoir uneoccupation spectrale plus faible. Il n’est pas anodin que la modulation retenue pour GSM soit de la G-MSK.

L’occupation spectrale d’un signal modulé est théoriquement infinie. Centré autour de la fréquencecentrale choisie f 0 il présente quel que soit la technique retenue (QAM, FSK, PSK) un lobe central(souvent de largeur 2/Ts) et une pléiade de lobes secondaires (de largeur moitié 1/Ts). On peut 

chercher à réduire l’occupation spectrale en choisissant une technique de modulation privilégiant lelobe principal au détriment des lobes secondaires mais on n’échappe pas au final à une limitationobtenue par filtrage passe bande pour arriver à la modélisation suivante :

Le choix des filtres d’émission et de réception n’est pas anodin. Il ne consiste pas seulement à limiter la bande à une valeur B T  prédéterminée. Il convient de respecter un critère important celuide Nyquist.

Déplacement linéaire de la

phase de π /2 pendant la durée

d’un s mbole Ts

On a deux fréquences possibles :

s

 II 

s

 I T 

 f  f et T 

 f  f 4

1

4

100 −=+=  

On passe de l’une à l’autre de manière linéaire

durant la durée d’un s mbole.

Suivant la valeur du bit

:4+

)3"47;$I"47

:"

  Concepts Cellulaires 30

(JM)=0I" /I"

,-I" 0I"

(JN0 (JN,-

0N)= *N)=

Notes : 

Page 16: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 16/44

  Concepts Cellulaires 31

Mr Nyquist, célèbre chercheur des Bell Labs des années 30, a cherché à comprendre d’un point de vue théorique quelles étaient les contraintes que l’on devait imposer à ces filtres afin de démoduler correctement le flux d’information. Il est arrivé à la conclusion suivante :

La chaîne globale constituée des filtres d’émission, du filtre modélisant le canal de propagation et des filtres de réception satisfait à :

L’impulsion globale g (t) doit satisfaire au critère de Nyquist de non interférence entre les symbolesqui précise que l’impulsion doit s’annuler à tous les instants multiples de la période symbole Ts. Ondoit avoir :

g (kTs) = 0 pour k ≠0

= g (0) pour k = 0

Par exemple cette fonction g (t) vérifie le critère de Nyquist :

Une fonction vérifiant le critère de Nyquist et communément utilisé en transmission numérique est la fonction dite en cosinus surélevé.

JI"47

  Concepts Cellulaires 32

O&!

:"

α

Notes : 

Page 17: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 17/44

  Concepts Cellulaires 33

En fréquence cette impulsion s’avère être assez sélective :

La bande minimale pour transmettre une modulation de rapidité R = 1/Ts est égale à 1/Ts pour uncanal à bande étroite centré sur la fréquence porteuse f 0. Cela n’est vrai que si l’impulsion choisie a pour paramètre de retombée α=0.

Par rapport au débit D présenté au modulateur utilisant M symboles distincts on

a :)(log

)1(2M 

 D BT  α += . Le rapport e= D /B T  caractérise l’efficacité spectrale de la modulation

(exprimée en bits/s/Hz).

Pour être complet sur cette partie on doit veiller à équilibrer le filtrage entre l’émission et la réception en vérifiant que le filtre de réception soit le filtre adapté à l’étage d’émission : ceci afind’améliorer les performances du démodulateur. Cela revient à imposer que dans la chaîne initiale :

g (t) = he(t)*hc(t)*hr (t)

le filtre de réception hr(t) soit le filtre adapté x e(t) = he(t)*hc(t) soit donc hr (t) = x e(-t).

&6

αααα>64)7 

αααα>6?G 

αααα>, 

9αααα

< >4,:αααα7

+

"

:4"$

  Concepts Cellulaires 34

%"M(

"; 2!/

Notes : 

Page 18: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 18/44

37 38

Page 19: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 19/44

  Concepts Cellulaires 37

Canal de Propagation : 

Le canal de propagation radio peut se modéliser par un filtre h τ(t) qui modifie le signal émis e(t) pour obtenir un signal reçu r(t) respectant :

)()(*)()( t nt et ht r  += τ   

Ce modèle correspond à un filtrage par une réponse temporelle caractérisant le milieu de propagationet par l’ajout d’un bruit que l’on considère centré, blanc et gaussien. La réponse impulsionnellemodélise les trajets de propagation présents entre l’émetteur et le récepteur. Ces trajets peuvent être dedifférentes natures : directs, transmis, réfléchis, diffusés, diffractés ou guidés.

Q$R"!$?9 "Q

R4"$7?  

9""$"!4"+""+!+S?7?

9$R";R4+"+@R""+S+ ?7?9$ R$$

"47+RI"RR?9!"; R " " " "" ?

I""47?+I"?

9$RT4+""+!++U"++S+?7"!R?8R"

!$  

Concepts Cellulaires 38

%

Q

"

8"

Réponse impulsionnelle caractériséepar le modèle

Réponse impulsionnelle caractériséepar le modèle

=

−= N 

i

it at h i

1

)()( τ δ τ 

#""

)"B"IVV/

"B

Q

ττττ

VV/

W"

Notes : 

Page 20: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 20/44

41 42

Page 21: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 21/44

  Concepts Cellulaires 41

Le temps de cohérence T c correspond au temps ou l’on peut considérer le canal de transmissioncomme invariant. Un fading rapide correspond à un temps de cohérence faible (donc un largeécart Doppler – vitesse du mobile grande) alors qu’un fading lent correspond à un temps decohérence important (donc un faible écart Doppler – vitesse du mobile faible).

Les fluctuations d’amplitude de chacun des chemins peuvent être considérées comme des réalisationsde variables aléatoires de type Rice ou Rayleigh suivant la présence ou l’absence de trajet direct dans la multitude de composantes créant le trajet considéré au retard τi. Au niveau du récepteur le trajet #i est micro réfléchi par l’environnement local faisant en sorte que le signal soit reçu selon toutes lesdirections distribuées aléatoirement de manière uniforme.

L’étude de ce phénomène aléatoire fait apparaître que la variation d’amplitude est soit une loi de Rice(trajet direct présent) soit une loi de Rayleigh (trajet direct absent). En notant r le module du poids a i du ieme chemin considéré on a pour une loi de Rice la densité de probabilité suivante

)2

(2

)(202

2

2

σ σ σ 

rA J e

r r  p

 Ar  +−

= et pour une loi de Rayleigh2

2

2

2)( σ 

σ 

er 

r  p−

= avec Jo fonction de Bessel, A 

module du trajet direct, 2 puissance moyenne des trajets multiples.

En observant l’évolution temporelle de l’amplitude on constate des évanouissements du signal plus ou

moins profonds et plus ou moins fréquents. Ces paramètres dépendent essentiellement de la vitesse dumobile.

A

QB

2

2

2σ 

 AK =  

Concepts Cellulaires 42

8!O

"=>

O$3!"

,#""!"4"41λ921!; 11'

""

+"

0 f 

c=λ 

02 f 

cd =

c

v f  f d  0

=

d  f v

d t 

2

1==

d  f 

vd 

2=

)"I3!"?:!?; />!@4; 3/>

d  f  f  2=

%"I3!"

"A"$2 @"!'"/>"1

!#""; $4!; '

σ  ρ 

π  ρ τ 

 ρ   Ravec

 f 

e

=−

=2

12

Notes :  

Page 22: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 22/44

Concepts Cell laires45

Concepts Cell laires46

Page 23: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 23/44

  Concepts Cellulaires 

3. La ressource radioLa ressource radio matérialisée par une ou plusieurs bandes de fréquence doit être organisée afin de :

différencier le sens des communications (UL ou DL). C’est le Duplex.différencier l’accès de différents utilisateurs. C’est le Multiplex d’Accès.

3.1.  Le Duplex

Le Duplex permet de doter le système considéré de la notion de sens de communication. Ondistingue les modes suivants :

SIMPLEX : communication toujours dans un sens unique sans voie de retour. La simultanéité de la communication est impossible.

HALF DUPLEX : ou communication dite « à l’alternat ». Dans ce mode la même ressourceradio est utilisée pour la voie montante et descendante mais de manière non simultanéeet après concertation entre les deux interlocuteurs. C’est le mode « push to talk » ou« talkie walkie ».

FULL DUPLEX : la conversation peut avoir lieu entre les deux interlocuteurs de manièresimultanée. C’est le mode classiquement retenue en téléphonie classique.

Pour des systèmes radio, le duplex peut être soit fréquentiel (mode FDD) soit temporel (mode

 TDD). En mode FDD on spécifie deux bandes :

une réservée pour les communications dans le sens montant (UL : MS vers BTS)une autre réservée pour le sens descendant (DL : BTS vers MS)

L’écart séparant les bandes UL et DL est appelé l’écart duplex. En général il est commun deconsidérer la bande basse comme étant réservée au sens UL et la bande haute pour le sens DL.Le GSM/DCS est un système qui a choisi le mode FDD. En GSM cet écart est de 45 Mhz alorsqu’en DCS il est de 95 Mhz. L’UMTS a opté principalement pour le FDD mais il existe uneoption d’utilisation en mode TDD.

Concepts Cellulaires 

%O%%

Temps Temps 

O O   $ $ 

UPLINK UPLINK  DOWNLINK DOWNLINK 

W W % % 

Notes : 

Page 24: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 24/44

Page 25: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 25/44

  Concepts Cellulaires 51

Concepts Cellulaires 52

Page 26: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 26/44

p

L’orthogonalité des codes peut être efficacement utilisé au récepteur pour différencier lesutilisateurs. En effet considérons la réception de la contribution de deux utilisateurs (#i,#j) possédant deux codes orthogonaux. On reçoit pour le k ème bit le M-uplet suivant :

{r k 0, r k 

1, ..., r k M-1} = {b#i

k c#i0 + b#j

k c#j0, b#i

k c#i1 + b#j

k c#j1, ..., b#i

k c#iM-1+ b#j

k c#jM-1}

En calculant :

=

1

0

#

1 M 

l

l

i

l

k C r  M 

 

On obtient 

i

 M 

l

l

i

l

 j

 j M 

l

l

i

l

i

i

 M 

l

l

i

l

 j

 j

l

i

i

 M 

l

l

i

l

b

C C  M 

bC C 

 M 

b

C C bC b

 M 

C r  M 

#

1

0

##

#1

0

###

1

0

#####

1

0

#

)(1

1

=

+=

+=

=

=

=

=

 

L’orthogonalité est parfaite Mais l’imperfection du canal radio va limiter un peu tout cela et des phénomènes d’auto interférences apparaissent qui dépendent du nombre d’utilisateursprésents.

On a longtemps cru que le nombre d’utilisateurs CDMA était largement supérieur à celuiobtenus grâce aux autres techniques de multiplexage : il n’en est rien. Un système TDMA est aussi efficace de ce point de vue que son homologue CDMA.

p

%J

0 1 2 3 4 5 6 7

Temps

Trame TDMAExemple d’un TDMA d’ordre 8

Time-slot

TS TS TS TS TS TS TS TS

0 1 2 3 4 5 6 7

TS TS TS TS TS TS TS TS

( (,0 &'( ()1"(,0( (,0 &'( ()1"(,0

Notes : 

  Concepts Cellulaires 53

Concepts Cellulaires 54

Page 27: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 27/44

4. Un peu d’Ingénierie RadioLe canal de propagation étudié dans l’un des chapitres précédents est un canal dont l’amplitudeinstantanée varie rapidement au cours du temps. La puissance moyenne reçue est la puissance autour delaquelle ces variations apparaissent.

En regardant macroscopiquement la voie radio on se rend compte que pour l’espace libre la puissance

moyenne reçue (Pr ) en un point de l’espace est reliée à la puissance émise (P e) d’une source distante de d(en m) par la formule :

er  Pd 

P

2

  

 =

π 

λ  

λ longueur d’onde du signal (= c/f avec c = 3.108 vitesse de la lumière et f fréquenceporteuse)Pr  et Pe en Watt 

Démonstration :

L’émetteur crée une onde sphérique de puissance Pe. Cette puissance se repartie équitablement sur unesphère centrée sur l’émetteur et de rayon d.

La surface d’une sphère de rayon d est :

24 d S π =  

La densité surfacique de puissance (en W/m2) est alors :

24 d 

PP e

sπ 

=  

 Au récepteur l’antenne recueille une puissance proportionnelle à sa surface A di te « aire équivalente ». On a alors :

ssr  Pd 

 A APP

24π ==  

Comme on a (résultat classique d’électromagnétisme):

π 

λ 

4

2

= A  

 Alors :

er  Pd 

P

2

  

 =

π 

λ  

En exprimant la relation précédente en dBm on a alors :

dBmdBmer  P

d P +

 

 

 

 

 

  

 =

2

104

log10π λ   

Comme Pe ≥ Pr le terme 04

log10

2

10≥

 

 

 

  

  

 −=

d  L

π 

λ correspond à une atténuation dont la valeur dépend

de la distance et de la fréquence du signal.

J"89

>,1"Z )9[,?G<

>[66Y\

)>/6]>0.<"

>[66Y\

)>/6]>0.<"

)>N 0*?G<"

5,?0,6N* ]

)>N 0*?G<"

5,?0,6N* ]

er  Pd 

P

2

  

 =

π 

λ 

)>N G0?G<"

5.?G,6N[ ]

)>N G0?G<"

5.?G,6N[ ]

>/1"Z )9[^?G<

)>N -*?G<"

5,?0,6N,6 ]

)>N -*?G<"

5,?0,6N,6

]

>,61"Z )9,,,?G<

Notes : 

Page 28: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 28/44

Page 29: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 29/44

Page 30: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 30/44

Page 31: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 31/44

Page 32: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 32/44

  Concepts Cellulaires 65

  Concepts Cellulaires 66

Page 33: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 33/44

Le nombre de sites nécessaires à la couverture est alors directement le rapport entre la surface totalede la zone à couvrir et la surface qu’un site est capable de gérer. Ce cas correspond audimensionnement pour les zones rurales.

Pour les zones plus riches en terme de densité de population, pour lesquelles le nombre de ressourcesnécessaires est largement supérieur au nombre de ressources mises à disposition par le système, ilconvient de couper la zone géographique en zones plus petites afin d’assurer le trafic au taux de

  blocage choisi par l’opérateur. Cette densification du réseau et ce manque intrinsèque de ressourcesamène à réutiliser les mêmes canaux radios à des distances relativement proches faisant alors en sorteque les interférences deviennent importantes. Le système est alors régi par des lois de RSB de type

 I 

C ( I Pth << ). Les interférences perturbantes dans ce cas sont celles dites interférences co-canal

(canal de même fréquence réutilisé ailleurs).

C’est ici qu’intervient alors la notion de motif. On appelle "motif" le plus petit groupe de cellulescontenant une et une seule fois l'ensemble des canaux radio du système considéré. La taille du motif 

est induite par le trafic à écouler dans la surface considérée. Ce motif est répété sur toute la surface à couvrir. Plus le motif est grand, plus la distance de réutilisation est grande.

Ce motif est constitué de K cellules hexagonales sur lequel NK  fréquences sont utilisées. Pour un trafichomogène chacune des cellules du motif possèdent NCELL = NK  /K fréquences. La taille du motif est unparamètre important. Il doit permettre :

d’assurer le trafic présent sur la surface couverte par les K cellules à hauteur du taux de blocage choisi (souvent 2%).

de couvrir de manière équilibré l’ensemble de la zone à couvrir 

de garantir au taux de probabilité de couverture désiré (95%) une QOS minimum sur l’ensemble

de la zone.

La mathématique nous est d’un grand secours pour comprendre qu’elle doit être la taille d’un motif pour obtenir un bon degré de performance.

Signaux

Fréquencef1

P9"&!P9"&!

P9"JO&

4,66661"/7

P9"JO&

4,66661"/7

P9"&!

P9"&!

&!&

Notes : 

Page 34: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 34/44

Page 35: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 35/44

Page 36: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 36/44  Concepts Cellulaires 73

Concepts Cellulaires 74

Page 37: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 37/44

 Juste un petit mot sur le POWER CONTROL.

Le Power Control peut être soit de type OPEN LOOP (Boucle Ouverte) soit de type CLOSED LOOP(Boucle Fermée). Ces deux types se différencient par :

en OPEN LOOP l’émetteur diffuse son niveau réel de puissance émise à la source ( Ps ). Lerécepteur reçoit un niveau plus faible ( Pr ) et peut donc calculer le path loss affectant le lien

de communication ( PL = Ps - Pr en dB). Si de plus l’émetteur qui est également un récepteur pour la voie retour diffuse le niveau minimum de réception attendue ( P sensi ) ainsi qu’un jeude paramètres complémentaires sensés compenser le déséquilibre naturel entre les voiesaller et retour (∆∆∆∆aller_retour ), alors il est possible au récepteur de calculer la puissance à consacrer pour la voie retour. On a :

 P open_loop = P sensi  - PL + ∆∆∆∆aller_retour  

en CLOSED LOOP le récepteur indique à l’émetteur distant le plus souvent possible la tendance (+ ou – un step fixe en dB) que doit prendre la puissance de l’émetteur. C’est la rapidité de cette boucle qui qualifie l’efficacité du Power Control dit en boucle fermée. Ceprincipe induit que de la bande passante radio doit être dédiée à ce contrôle dans les deux sens. Pour déterminer la tendance, le récepteur compare en permanence le niveau reçu à 

une consigne qui lui aura été préalablement distribuée et qui est sensée correspondre à la qualité de service souhaitée.

)&

)&

),

)/

<

@

Point de

Référence

&9F8%9FF)

<

%)

%89J9

F)8#9FF)

&)

Notes : 

Page 38: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 38/44

Page 39: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 39/44

Page 40: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 40/44

Page 41: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 41/44

Page 42: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 42/44

  Concepts Cellulaires 85

 Afin d’être sur de générer les bonnes clés de chiffrement aussi bien du coté émetteur que du

Concepts Cellulaires 86

Page 43: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 43/44

g qcoté récepteur sans avoir à les échanger on procédera ainsi :

Présence aussi bien du coté émetteur que récepteur d’une clé secrète Ki unique par utilisateur et ne devant jamais être échangée entre l’émetteur et le récepteur.

Définition d’un algorithme de génération des clés utilisant la clé secrète Ki et un random

préalablement distribué par le réseau au MS concerné.

 Authentification 

Ce mécanisme consiste à vérifier que l’usager se présentant aux portes du réseau est biencelui annoncé. Il doit montrer patte blanche.

Pour vérifier la bonne foi de l’usager on va l’obliger à faire un petit exercice :

on sait que l’usager en question possède une identité (ID_USER) qui lui a été assignélors de la vente de son forfait.

on lui a de plus assigné une clé secrète Ki.

  via un algorithme de génération de signature qui peut très bien être public on va l’obliger à calculer la signature (SIGNA) qu’il obtient de son coté avec sa clé Ki et lerandom (RAND) que l’on vient de lui distribuer. [un intrus connaissant l’algorithmequi verrait passer SIGNA et RAND aurait un mal fou à déterminer Ki]

Le mobile renvoie ce résultat de signature au réseau. De son coté, ce dernier a procédé aumême calcul. Si les deux signatures sont les mêmes coté réseau et coté mobile il y a deschances que le mobile ne soit pas un fraudeur.

En renouvellant cette phase d’authentification le plus souvent possible (par exemple à chacune des transactions du mobile vers le réseau) on se donne les moyens de lutter contreles éventuels intrus.

& =& = & =& =

J#%

N)

N)

&" 

&

& =& = & =& =

J#%

0.N

& =

0.N

& =J

Notes : 

  Concepts Cellulaires 87

Lutte anti fraude :

Concepts Cellulaires 88

Page 44: Gsm Concept Cellulaire

5/11/2018 Gsm Concept Cellulaire - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/gsm-concept-cellulaire 44/44

Lutte anti fraude : 

Lors de la phase d’authentification le mobile doit indiquer son identité (ID_USER) au réseauafin que l’on puisse déterminer s’il est bien celui qu’il prétend être. La distribution en clair de cette identité sur la voie radio constitue l’un des points faibles des réseaux de radiotéléphonie.

En effet une connaissance de l’interface radio et des protocoles utilisés sur le système à pirater permettrait à n’importe quel hacker un peu malin d’obtenir à moindre frais l’identitéabsolue de tout mobile voulant opérer sur le réseau.

Pour lutter contre la diffusion trop évidente et trop systématique de cet identifiant on va chercher à l’utiliser avec parcimonie.

Le réseau va distribuer le plus souvent possible (à chaque transaction du MS) une identitétemporaire (ID_TEMP_USER) que devra utiliser l’usager préférablement à l’identité absolue(ID_USER). Ainsi le réseau doit de son coté entretenir la connaissance de l’indirectionID_TEMP_USER  ID_USER pour savoir à quelle identité absolue correspond l’identitétemporaire distribuée et par ricochet déterminer les paramètres associés à ce mobile :localisation, clés Ki, ...

L’identité absolue des mobiles n’est alors utilisée que lors de la première mise sous tension.Ensuite si le réseau et le mobile coopèrent bien, seules les identités relatives sont utilisées.

Ce mécanisme ne garantit pas la non intrusion mais oblige le hacker potentiel à utiliser desmoyens ambitieux pour obtenir les identités absolues des mobiles et tenter ensuite de fairele lien entre ces identités et les clés secrètes Ki.

Enfin, en différenciant l’abonné (ID_USER) du terminal simple vecteur de la communication(IS_MS), on se donne les moyens de vérifier l’intégrité du matériel évoluant sur le réseau.Une base de données dédiée uniquement aux terminaux permettrait de gérer les matériels

 volés ou défectueux.

J"

c"3aa

#F#a3

I"

%f8

%f8)f8

)"3"!; I"'?

)"3"!; I"'?

Notes :