Les réseau GSM

Ce cours présente les caractéristiques essentielles du système, son

architecture générale, son interface radio, et les protocoles mis en œuvre

dans les réseaux GSM.

Historique• 1985 : Système analogique (RadioCom 2000 en

France) pour applications civiles• Le groupe spécial mobiles (Ancien sigle de GSM) a

travaillé dès 1983 sur l'élaboration d'une norme européenne de téléphonie mobile dans la bandes des 900MHz.

• 1991 : Les premiers réseaux commerciaux ont été construits, par les opérateurs Itinéris et SFR.

• 1993 : Une nouvelle bande de fréquence à 1800MHz a été allouée (DCS Digital Communication System).

• 2000 : nouvelles fréquences (GPRS pour global packet radio service).

Architecture générale• Le GSM est un système cellulaire, dans lequel les cellules adjacentes

sont séparées en fréquence, ce qui nécessite une planification préalable au déploiement.

• Les équipements mobiles et les fonctions relatives à la gestion des utilisateurs mobiles sont regroupés dans réseau appelé PLMN (Public Land Mobile Network).

• Le standard GSM spécifie les passerelles permettant aux réseaux mobiles de se raccorder aux PSTN et aux PLMN d'autres opérateurs.

 • Un PLMN se sépare en trois ensembles distincts :

– un sous-système radio, le BSS (Base Station Subsystem), – un sous-système réseau, le NSS (Network SubSystem), – un sous système d'exploitation et de maintenance, l'OSS (Operation Support

Subsystem).

Allocation des fréquences

• L'onde radio dans est le lien entre l'abonné et l'infrastructure de l'opérateur.

• L'abonné et l'émetteur du réseau doivent être à proximité.

• Un opérateur n'a qu'une bande de fréquence réduite.

• Chaque terminal utilise lors d'une communication une fréquence variable qui lui est attribuée par l'opérateur en fonction des ressources disponibles.

• Le nombre d'appel simultanément possible sur une fréquence est insuffisant pour satisfaire tous les abonnés. C'est pourquoi le concept de cellules a été introduit.

Réseau cellulaire• L'opérateur peut réutiliser une fréquence dans plusieurs endroits

géographiques dans la mesure où il n'y a pas de risque d'interférences.

• Chaque zone couverte par un émetteur est appelé cellule de taille variable de 200 mètres à 35 kilomètres

• Plus la taille d'une cellule est petite, plus la quantité d'appels passées sur le réseau pour une surface donnée est grande.

• On modélise les cellules par des hexagones.

• Deux cellules mitoyennes ne peuvent pas utiliser la même fréquence à cause des interférences.

• La présence d'un grand nombre de cellules liées à la mobilité de l'utilisateur implique une des fonctionnalités de "handover " (capacité pour un terminal de changer de cellule de manière tout à fait transparente

Architecture

Le sous-système radio (BSS)

•MS (Mobile Station), ou terminaux mobiles.

•BTS (Base Transceiver Station), ou stations de base

•BSC (Base Station Controller), ou contrôleurs de BTS

Le sous-système radio est l'ensemble des constituants du réseau qui gère l'échange et la transmission des données par la voie hertzienne.

MS (Mobile Station ou terminaux mobiles)• Représentent la partie visible d'un système radio mobile.

• Le système GSM a introduit dans les terminaux une carte à puce, (SIM Subscriber Identity Module) qui contient les informations relatives à l'abonnement de l'utilisateur.

1.IMSI (International Mobile Subscriber Identity)

2.L'IMEI est un numéro à 15 chiffres qui presente la structure suivante:

3.IMEI = TAC / FAC / SNR / sp Où: TAC = Type Approval Code, déterminé par le corps central du GSM (6 chiffres)

FAC = Final Assembly Code, identifie le constructeur (2 chiffres)

SNR = Serial Number (6 chiffres)

sp = Chiffre supplémentaire de réserve (1 chiffre)

4.TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity),

5.IMEI (International, Mobile Equipment Identity),

6.Algorithmes de chiffrement.

La carte SIM peut être transférée d'un terminal à un autre et est protégée par un code PIN (Personal Identification Number) ou CHV (Card Holder Verification).

Architecture d'un mobile

Gestion de la puissanceLes terminaux GSM sont divisés en cinq classes

CLASSE PUISSANCE MAXIMALE TYPE

1 20 VÉHICULAIRE

2 8 PORTABLE

3 5 PALMAIRE

4 2 PALMAIRE

5 0.8 PALMAIRE

La puissance de la MS détermine la capacité de la station de s'éloigner des BTS du réseau tout en continuant d'utiliser le service.La MS peut changer la puissance d'émission de façon dynamique sur 18 niveaux (pour pouvoir conserver la puissance de transmission optimale, en réduisant les interférences entre canaux, utilisés sur les cellules adjacentes, et la consommation du terminal). Le contrôle de la puissance du signal est transmise à la MS par la BSS qui fait de façon constante le monitorage de la qualité de la communication.

BTS (Base Transceiver Station)

• Elles assurent les opérations de

• Le placement et le type des BTS déterminent la forme des cellules

• Remontent au BSC des mesures sur la qualité des transmissions dans la cellule

• Diffusent des informations générales sur la cellule qui sont utiles aux mobiles

modulation, démodulation,

codage correcteur d'erreurestimation de canal et égalisation.

• Points d'accès des utilisateurs mobiles au réseau GSM,• Les BTS se matérialisent sous la forme d'antennes.• Elles ont en charge l'accès radio des mobiles dans leur zone de

couverture.

• Pour éviter des pertes de signal à cause de la réflexion, on utilise 2 antennes en réception placées à quelques longueurs d'onde l'une de l'autre. Ce système possède l'avantage d'avoir au moins une antenne en réception recevant un bon signal.

Types d'antennes

Il existe deux types d'antennes

• Omnidirectionnelle (le signal est envoyé à 360°)

• Elles sont idéales pour couvrir les sites où la densité d'abonnés est faible

• Diffuse sur une grande distance.

• Directionnelle (le signal est irradié en une seule direction).• placées dans des zones à plus forte densité

d'abonnés

• permettent d'émettre suivant un angle très précis

• Permet de réutiliser facilement le même canal dans une autre cellule à proximité

BSC (Base Station Controller) • Les BSC sont des concentrateurs de BTS

• Un BSC standard peut contrôler une soixantaine de BTS

• Un BSC gère les canaux radio

• Le BSC est connecté aux BTS par l'interface A bis et au MSC par l'interface A

• La normalisation d'une interface revient à définir le jeu de messages échangés de part et d'autre de cette interface, ainsi que la manière d'y transporter les données

• Le contrôle d'admission des appels,

• Le contrôle de puissance

• La gestion des handovers (décide, sur la base des relevés reçus par le BTS, le moment pour changer de cellule)

• Le décodage des canaux radio Full Rate (16 kbps) ou Half Rate (8 kbps) pour des canaux à 64 kbps.

Le sous-système réseau (NSS)

• Le sous-système réseau, ou NSS (Network SubSystem), s'occupe de l'interconnexion avec les réseaux fixes, publics ou privés, auxquels est rattaché le réseau mobile.

• Le sous-système réseau gère l'établissement des communications avec les utilisateurs mobiles, utilisateurs dont il détient un profil.

• Les éléments du sous-système réseau sont les suivants :• MSC (Mobile-services Switching Center), ou commutateur de service • HLR (1-lome Location Register), ou base de données de localisation nominale • VLR (Visitor Location Register), ou base de données de localisation locale • l'EIR (Equipment Identity Register) qui contient la liste de tous les mobiles,

identifiés par leur IMEI, autorisés à fonctionner sur le réseau • AuC (AUthentication Center), qui contient les codes PIN des cartes SIM

MSC (Mobile-services Switching Center)

• Le MSC est un commutateur numérique en mode circuit, qui gère toutes les communications avec les mobiles sous sa couverture.

• Il comporte des fonctions de taxation • Il assure l'authentification de l'auteur de l'appel (pour

déterminer si l'utilisateur est en droit d’utiliser le service).• Il peut assurer l'interconnexion entre le réseau mobile,

le PLMN, et le réseau téléphonique fixe, le RTC. (GMSC ou Gateway MSC)

• Le MSC est relié aux BSC du BSS via l'interface A.• Deux MSC sont connectés par l'interface E. (utilisée lors

de handovers inter-MSC).

HLR (Home Location Register),

Base de données de toutes les informations relatives aux abonnés du PLMN. – IMSI, – les numéros de téléphone classiques à douze chiffres, – Les informations de chiffrement– la localisation courante de l'abonné,(la référence du VLR de la

zone dans laquelle il se trouve)• Un seul HLR logique par PLMN, • Un HLR est mis en oeuvre au travers de plusieurs bases de données

redondantes reliées entre elles.• Les abonnés sont identifiés comme par: MSISDN=CC/NDC/SN

– CC = Country Code, indicatif international (33 en France)– NDC = National Destination Code, indicatif national de l'abonné sans le zéro

SN = Subscriber Number, numéro qui identifie l'utilisateur mobile

• Le HLR est implémenté dans des station de travail dont les caractéristiques matérielles (mémoire, processeurs, capacité et vitesse des des disques) peuvent être mis à jour au fur et à mesure de l'augmentation du nombre d'abonnés.

• Le HLR échange des information avec les autres composantes du réseau– avec l'AUC et le VLR pour gérer la sécurité.

– avec le VLR pour l'enregistrement de la position

– dialogue avec le MSC pour calculer le prix de l'appel.

– avec l'OMC et le VLR pour la gestion des données relatives à l'abonné

Visitor Location Register• Une base de données dans laquelle sont stockées les informations

relatives aux utilisateurs d'une région particulière. • Possède les mêmes informations que dans le HLR, avec en outre :

– l'identité temporaire de l'utilisateur, ou TMSI, – et sa zone de localisation, (un sous-ensemble de cellules dans lequel se

trouve l'utilisateur).– La condition de la MS (en veille, occupée, éteinte)– L'état des services complémentaires comme Call Waiting, Call Barring, etc.– Les types de services auxquels l'abonné à souscrit et auxquels il a droit

d'accès (voix, service de données, SMS, d'autres services auxiliaires).

• En pratique, un VLR est souvent attaché à un MSC.• Grâce aux VLR, les informations propres à l'utilisateur le suivent dans

ses déplacements. – Il n'est pas nécessaire de contacter le HLR à chaque appel issu du

mobile ( réduire le trafic de signalisation).– Les appels vers le mobile doivent rechercher dans le HLR pour :

• L'association entre le numéro de téléphone du mobile et son I'IMSI • Trouver le MSC-VLR courant.

Authentication Centre

• A pour but celui de vérifier si le service est demandé par un abonné autorisé, (en fournissant soit les codes pour l'authentification )

• Le mécanisme d' authentification ne nécessite pas de transmettre sur le canal radio les informations (l’IMSI et la clef de chiffrage)

• Le cryptage génère des codes secret qui serviront à protéger les échanges sur le canal radio.

• L'authentification se fait de façon systématique chaque fois que la MS se connecte au réseau L'AUC ne peut pas être géré de loin pour de raisons de sécurité.

Equipment Identity Register• Base de données permettant de vérifier si un Mobile Equipment

(ME) d'accès au système. • La base de données est divisée en trois sections:

– White List: contient tous les IMEI attribués à tous les opérateurs des différents pays avec lesquels il existe des accords de roaming international.

– Black List: stocke tous les IMEI qui sont censés être bloqués (par exemple ceux qui ont été volés).

– Grey List: contient tous les IMEI désignés comme faulty ou bien ceux qui sont envoyés par des téléphones non homologués. (signalés aux opérateurs du système à l'aide d'une alarme quand ils demandent l'accès)

• A chaque tentative de connexion, la MSC utilise l’EIR, avant d'autoriser ou de refuser l'accès, pour vérifie d'un des cas suivants:

– Le terminal a été homologué pour la connexion avec un réseau GSM– Le terminal n'a pas été volé ou utilisé abusivement

– Le terminal n'a pas été désigné comme faulty

Network Management Centre

• Assure les fonctions suivantes:– L'accès à distance à tous les éléments qui composent le

réseau GSM – La gestion des alertes et de l'état du système – L ’enregistrement de toutes les données relatives au trafic des

abonnés (pour la facturation) .– La supervision du flux du trafic dans les centrales et

l'introduction de changements éventuels dans le même flux. – La visualisation de la configuration du réseau avec la

possibilité d'effectuer des changements à partir d'endroits éloignés.

– La gestion des abonnés et la possibilité de localiser leur position à l'intérieur de l'aire de couverture.

L'interface radio

• L’interface radio, ou interface air, permet la connexion sans fil du terminal et du réseau.

• Constituée des mécanismes permettant l'émission et la réception de signaux de radiofréquence de manière efficace et sûre, quelles que soient les conditions de propagation.

• Cette couche physique inclut des moyens permettant d'établir, de maintenir, de relâcher, et de particulariser les différents types de liens établis entre le terminal mobile et le réseau.

• La notion de canal logique permet de dissocier les fonctions de ces différents liens.

Le canal physique• Regroupe tous les moyens mis en oeuvre dans un système de

communication pour transmettre les informations d'un émetteur vers un récepteur.

• Le système de communication définit les règles d'accès au médium (utilise la méthode F-TDMA)

– Le temps est découpé en 8 intervalles (slots)

– La durée d'un slot est de 577 s (4,615 ms pour la trame)

– Le débit binaire sur cette trame est d'environ 270 Kbit/s

• Pour augmenter la diversité fréquentielle, il est possible de mettre en oeuvre du saut de fréquence.

• Les voies montante et descendante sont séparées en fréquences (l'écart duplex) – 45 MHz pour le GSM 900

– 95 MHz pour le GSM 1800

• La bande de fréquences est découpée en canaux de 200 kHz – 125 canaux dans la bande des 900 MHz ( 890-915 MHz dans le sens

montants et 935-960 MHz dans le sens descendant) – 375 dans la bande 1710-1785 MHz

• Les voies montante et descendante utilisent une structure TDMA identique mais avec un décalage temporel de trois slots.

• Cela évite qu'un mobile reçoive et transmette en même temps.• Les canaux physiques permettent de transporter différents types de

canaux logiques de débits variés.•  • Pour mettre en oeuvre cette variété de débits le GSM utilise une

structure de multi-trame. permettant d'obtenir des périodes d'apparition spécifiques pour chaque type d'information :– une multitrame à 26 trames, d'une durée totale de 120 ms, – une multitrame à 51 trames, d'une durée totale de 235,38 ms.

Topologie des paquets GSM

• Les trois bits de tête et de queue du burst permettent à l'émetteur d'atteindre le niveau nominal de puissance puis de le rabaisser.

• La séquence d'apprentissage permet au récepteur de se synchroniser sur le burst et d'estimer le canal de propagation. Cette position permet de minimiser les erreurs d'estimation, inévitables du fait de la variabilité temporelle du canal.

• Le délai de garde protège le slot suivant des inexactitudes d'alignement temporel de l'émetteur.

• Pour compenser les différences de temps de propagation entre tous les utilisateurs d'une cellule et garantir en conséquence l'intégrité de la trame TDMA vue par la station de base, le GSM définit une compensation temporelle, ou timing advance, grâce à laquelle les mobiles les plus éloignés sont invités à transmettre plus tôt.

• Les deux blocs de 58 bits permettent de transporter des données utilisateur ou de la signalisation. – 2 bits (1 bit dans chaque bloc) servent à indiquer la présence éventuelle de la

signalisation rapide. – Avant d'être placés dans les bursts, les bits d'information sont codés et entrelacés

Protection contre les erreurs

• Le GSM combine des codes en blocs et des codes convolutifs. • Les codes convolutifs sont utilisés pour corriger les erreurs de transmission.• Ils sont de taux 1/2, de longueur de contrainte 5 et de polynômes générateurs

définis par les formules• Les bits issus du codec sont séparés en trois classes , en fonction de leur

importance, et sont ensuite protégés des erreurs de transmission de façon distincte

50 bitsdonnées

132 bitsdonnées

3 bitsCRC

378 bits données protégées 78 bitsdonnées

4 bitsCRC

Codage convolutif

Transmission de la voix voix plein débit.

• Le signal de parole est numérisé par blocs de 20 ms à l'aide d'un algorithme standardisé sous le nom de RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prédiction),

• Un bloc est code sur 260 bits.(débit codec = 13 Kbit/s)

• D'autres codecs, produisant des débits encore plus faibles ou des qualités subjectives supérieures, ont été standardisés dans le GSM, tels que le codage demi-débit (Half Rate) ou le codage plein débit amélioré (Enhanced Full Rate).