Histoire des radio-mobiles1978 Rseau cellulaire analogique AMPS (USA)1981 Rseau cellulaire numrique militaire RITA ( France)1985 Rseau cellulaire analogique RADIOCOM 2000 France Telecom1993 Rseau cellulaire numrique GSM en Europe1996 Rseau DCS 1800 en Europe2004 Rseau UMTS

Chronologie de la norme1979 Union International des tlcoms alloue la bande 900 MHz1982 Les sous-bandes 890-915 pour Tx et 935-960 pour Rx sont fixes1983 Le Group Special Mobile est cre par lEUROPE1984 France Telecom lance le projet Marathon pour dfinir GSM1985 LA CEE approuve la norme GSM1987 Le mutiplexage temporelle est valid1988 La France accorde une licence France Telecom et SFR

Chronologie industrielle1991 En France dmarrage rseaux Itineris et SFR1992 GSM devient Global Systemes for Mobiles1993 Adaptation pour la frquence 1800 MHz1999 GPRS Global Packet Radio Service ( GSM + IP)2002 Dfinition de la norme UMTSUniversal Telecom Mobile Service

Evolution des dbits1019962000200219982004GSMGPRSUMTSGPRSUMTSUMTSAnnonceRealitAnne2006Dbits (kb/s)1001000

Les normes mondialesGSMGPRSUMTSPDCW-CDMATDMA-EdgeIMT 2000UWC-136AMPSWapSMSAMPS = Advanced Mobile Phone SystemCDMA = Code division multiple accessGSM= Global System for MobilesGPRS = General Packet Radio ServiceEDGE = Enhanced data rates for GSM EvolutionIMT = International Mobile TelecomPDC=Pacific Digital ComSMS= Short Message ServiceUMTS = Universal Mobile Telecom SystemUWC = Universal Wireless ComWAP = Wireless Application Protocol

Abonns mondiaux19972505001000200075040020031250Millions dabonns

Architecture du rseauStation de base Voie montante(Tx)Voie descendante(Rx)Identit du mobileauthentificationvisiteursabonnsmobileControleur de stations de base

Rpartition des frquences

Antennesc= 300000 km/s, f = frquence en Hertz, = longueur donde en mGSM: 935MHzl = 32 cml /4 = 8cmLongueur antenne = l/4l = c/f

Allocation des frquencesGSMDCS 1800890915935Tx960Rxf(MHz)171017851805Tx1880Rxf(MHz)mobile 1-2WattsStation de base300 WattsMontante (Tx)Descendante (Rx)

Frquences des oprateursGSM : [890+nx0.2] MHz 915MHzDCS 1800 : [1710+nx0.2] MHz 1785MHzLa bande de frquence est dcoupe en sous-bande de 200 kHz890905 915TxOperateur 1Operateur 2Operateur 3895Rpartition des bandes entre oprateurs (idem pour Rx)

Capacit thorique du rseauVoie montante GSM

Bande disponible 915 890 MHz = 25 MHzSous Bandes disponibles 25 / 0,2 = 125 bandesNb intervalle de temps 125x8 IT =1000

soit environ 1000 utilisateurs simultans par zone

Rpartition des frquences1234567935 nx0,2960f112324567345677

Choix de lmetteur935960

Attribution des canaux890Frequence(MHz)200KHzAmplitudeTempsR1T1577s935890935T14.61msT8200KHzMultiplexage temporel (TDMA)Distance ncessaireau duplex 45 MHz

Multiplexage temporel577sFrequence(MHz)4.61msTrame TDMA0 1 2 3 4 5 6 7890.4890.6890.8891.0Temps

Donnes transmises pendant 1 IT0 1 2 3 4 5 6 7 DonnesencryptesDonnesencryptes3 bits57 bits 1 26 157 bits3 bitsDure du paquet 546 s Sequence dapprentissage00100 10111 000010 00100 10111BS

4,61 msIntervalle de garde30,4sDure de lIT (slot) 577s 577 * 8 = 4,61 ms

Codage de la parole Rpartition des bits par trame

Coefficients du filtre LPC (8 coef) 36Frquences des 4 fondamentaux 28Amplitudes des 4 fondamentaux 8Quantifications des 4 sous sries 156Energies maximales des 4 sous sries 24N de la sous srie retenue 8 260260/20ms = 13kbits/sModleCoefficients du filtre LPC (36 bit)Coefficients du filtre de gnration des fondamentaux (36 bit)Signal dexcitation188 bitsParole reconstitueLe principe consiste transmettre les coefficients dun modle mathmatique et son signaldexcitation qui permet de reconstituer 20 ms de parole Les bit transmettre sans erreur sont :30 bit des 6 coefficients du dnominateur du filtre prdicteur LPC,12 bit (4x3 bit) des 3 poids forts des frquences fondamentales8 bit (4x2) des 2 poids forts des nergies maximales dexcitation Soit 50 bitLes bits les moins sensibles sont:les 13 poids faibles des 4 s/sries-le poids faible de lnergie max-les 6 bits restants du LPC-les 4 bits restant des fondamentauxSoit 78 bit 50 Bits de classe I78 Bits de classe IIIReste 132 Bits de classe II

Encodage des donnes260 bit456 bit20 ms de parole13 kbit/sCodage Canal22,8 kbit/sEntrelacement 8 demi-paquet x 57 bitutilisant un slotSlotTrame TDMA 4,6ms8 trames TDMA = 36,8 ms = dure de la transmission de 20 ms de parole

Codage canal (Bande de base)Ajout dun CRC de 3 bit aux 50 bit classe IAjout des 132 bits de classe 2 + 4 bits de purge de registre53 bits189 bitsCodeur convolutionnel de facteur 2378 bitsAjout des 78 bits de classe III456 bitsSoit 57 x 8 = 456 bits

Codeur ConvolutionnelLe codage convolutionnel est adapt la dtection et la correction des erreurs qui peuventse produire dans les canaux radio notamment celles dues aux interfrences de frquence avec les canaux voisins. CCCggg = D4 + D3 + 1g= D4 + D3 + D + 1 Le code C est form en prenant en alternance C et CLe dcodage est nettement plus complexe. Lalgorithme de Viterbi estime chaque coup dhorloge ltat des 4 bascules du registre de codage en tenantcompte du modle gaussien des erreurs

EntrelacementLe but est de rpartir un paquet de donnes codes sur 8 intervalles de tempsafin de scuriser la transmission.Pour cela on aligne les 456 bits dans un tableau de 8 colonnes et 57 lignes,chacune des colonnes est ensuite transmise sur 8 ITB0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10. B16.. B440..B447 B448 B455 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A78 demi-blocs dintervalle de temps

Modulation01001011Phase de loscillateurOscillateurModulateurdamplitudep/2s(t)x(t)Ampli additionneurABPour viter des sauts de phase brusques qui donnent un spectre analogue au NRZ autour dela porteuse, un dispositif assure pendant la priode de base T une variation linaire de la phaseInitiale la phase finale.En anglais cette modulation est dite QPSK/MSKQuadratic Phase Shift Keying/Minimum Shift Keying

Gestion des canaux du GSMLa complexit dun rseau radio comme - les fluctuations du canal radio notamment dues la distance entre le mobile et la station- les dplacements mondiales du mobile- les multiplicits des services ( voix, SMS, MMS, Canal de donnes, GPRS)ncessite un ensemble de canaux pour- vhiculer les trafics de la voix et des donnes- diffuser de linformation aux mobiles (frquences utilises, appels divers )- adapter en permanence les missions radio du mobile au profil du canal allouRoland Gerber

Les canaux logiques GSMLes canaux de traficCanaux pour la voix Transport de la voix(TCh)Plein dbit et demie dbit

Canaux pour les donnes Donnes utilisateur9,6 kbit/s, 4,8 kbit/s,

Les canaux ddisCanal de signalisation Numrotation un mobileSDCCh

Canal de contrle lent de Supervision lente dela liaison SACCh la liaison

Canal de contrle rapide Supervision rapidede la liaison FACCh de la liaisonCes canaux sont bi-directionnels et ddis une communication

Les canaux logiquesLes canaux de diffusionCanal de correctionCalage de la porteuse(Broadcast) de frquenceBCh (Voie balise)FCCh

Canal de synchronisationSynchronisationSChtemporelle

Canal de contrle gnralInformation systmeBCCh

Les canaux de contrleCanal dappelAppel du mobilecommuns accs partagPChCCChCanal daccs alatoireDemande de connexionRACh du mobile

Canal dallocation desAllocation desressources AGChressources radio

Canal des messages Diffusion de message CBChinter-cellules

Les canaux logiques ddisLe canal TCh et ses associs SACCh ou FACCh servent au transport de la voix et aucontrle permanent de la liaison radio, notamment le handover

TCh peut avoir 2 dbits 13 kbit/s et 5,6 kbit/s

SACCh ( Slow Associated Control Ch) - contrle la puissance dmission du mobile- fournit le temps davance dmission lintrieur de lIT pour compenser le retard de propagation- contrle la qualit du lien radio (via les erreurs dtectes)- reoit des informations sur la puissance reue par les stations voisines (prparation du hand over)Le canal SACCh est multiplex avec TCh, les blocs dinformations sont de 23 octets(184 bit).Il sagit dun canal de donnes transportes en mode connexion LAPD.Ces blocs dinformations sont encods en 456 Bits (Codage convolutionnel) et transmissur 4 IT classiques. Ces 4 IT sont pris sur les IT disponibles du canal voix. Il y a 1 IT disponibletoutes les 26 trames.Il faut donc 104 trames pour acheminer un bloc SACCH, do le nom de canal lent

Les canaux ddis (suite)FACCh (Fast Associated Control Channel)Le dbit du canal SACCh nest pas suffisamment rapide pour excuter un hand overLe canal FACCh prlve des demie IT de la voix pour transporter les informations

SDCCh (Signaling Data Control Channel)Ce canal qui utilise un canal voix transporte la signalisation et les SMSEn cas de communication simultane, les SMS sont transports sur le canal SACCh0 1 2 3 4 5 6 7 DonnesencryptesDonnesencryptes3 bits57 bits 1 26 157 bits3 bits 546 s4,61 ms577s

Multiplexage trafic et contrleLa parole est code en paquets de 260 bits toutes les 20 ms par le codage sourceLe codage en canal en dduit 456 bit toutes les 20 ms qui sont transports sur 8 demi ITou 4 IT sur 4 trames, soit 4 x 4,61 ms = 18,4 4 < 20 ms Il reste donc rgulirement des IT disponibles

La norme GSM prvoit des multitrames 26 trames de 8IT (26 x 4,61538 = 120 ms)- 24 IT sont utiliss pour les burst de parole soit 24/4 x 20 ms = 120 ms de paroles- 1 IT restant est utilis pour le contrle de liaison radio SACh- 1 IT pour le calage en frquenceLe bloc de base SACCh ncessite 4IT donc 480 ms par bloc, ce qui est trop long en cas de handoverDans ce dernier cas des IT sont pris sur le trafic T (canal FACCh)T T T T T T T T T T T T A T T T T T T T T T T T T iOrganisation dune multitrame120 ms T T T T F F F F T T T T A T T T T T T T T T T T T i F F F F T T T TOrganisation dune multitrameFACCh

La voie baliseUne des frquences alloue la station de base est rserv partiellement pour la gestion des mobiles

Un mobile mesure priodiquement les puissance reues des balises du voisinage- dtection de la station- calage en frquence- synchronisation temporelle- prparation du handover

La voie balise dune station de base fournit- un signal descendant puissance constante permettant les mesures de puissance du M- les canaux de broadcast principalement sur le slot 0

Les canaux sur la voie baliseFCCh Frequency Correction ChannelUn paquet spcifique de 148 bit 0 est mis sur le slot 0 sur les trames 0 , 10, 20 ,30dune multitrame de 51 trames.La porteuse reu est un signal sinusoidal parfait qui permet au mobile de se caler

SCh Synchronisation ChannelCe canal permet de mesurer les temps de propagation et donne au mobile linstantdans lIT o il doit commencer mettreUn paquet spcifique est mis par la balise sur le slot 0 sur les trames 1, 11, 21, 31 Ce paquet comprend -une squence dapprentissage allonge de 64 bit ( au lieu de 26) - un numro de trame 19 bit - un code qui permet didentifier la station de base qui met (6bit)Ces derniers 25 bit + 10 bit de CRC + 4 bit de tran sont convolus dun facteur 2Ce type de paquet est envoy par tous les oprateurs et est le premier paquet dcod parle mobile la mise sous tension.BCh Broadcast ChannelCe canal donne aux mobiles les caractristiques de la station de base

Synchronisations binaire et logiqueSynchronisation binaire- le mobile et la station de base doivent se synchroniser au niveau bit (physique) et donc connatre le temps de propagation TA qui les spare.- la squence dapprentissage de SCh permet de dfinir dans le mobile un instant la s prs- le mobile rpond aprs cette squence dans le canal RACh en positionnant un paquet cet instant dans un slot RAch. La station de base la base du synchronisme trame de RACh peut mesurer larriver 2TA

Synchronisation logique- Les trames sur TCH ont une organisation enmultitrame = 26 trames de 4,6ms = 120 ms (parfois 51 trames)supertrame = 51 multitrames = 6s 120 mshypertrame = 2048 supertrames = 3 H 28 m 53 s 760 ms- Les supertrames et hypertrames permettent le gestion du rseau GSM- Le champ de 19 bit dun paquet SCh permet au mobile de trouver le n de la trame courante sur le canal de trafic TCh

EgalisationLes squences binaires de synchronisation permettent lgalisation du canal Le signal aprs dmodulation (signal bande de base) est chantillonn la priodicit Baudet les amplitudes sont entres dans une ligne retard analogiqueSx(i) x(i-1) x(i-2) ..x(i-n) h0 h 1 h 2 h nf(t)/ x(t)y(t)tSeuils dedcisionLes coefficients hi sont calculs rgulirement par uncalcul des variations et sur une squence dentre spcifiquedont la sortie y(t) est connue lavance

Diffusion dinformationsLe canal BCh sur la voie balise se trouve au slot 0 dans les trames ou ce slot ne sert pas au calage de frquence

Le protocole est du type LAPD avec des paquets dinformation de 23 octets (184 bit)Pour lencodage il sajoute 44 bit de CRC + code convolutionnel x 2, soit 456 bitCes 456 bit sont entrelacs en 8 blocs de 57 bits et transports sur 4 IT (slot)

Ce canal transmet les informations suivantes- La description de lorganisation de la cellule- les slots couter pour dtecter les appels diffuss (GACh par ex)- les frquences balises des stations voisines- la liste des frquences utilises par cette station (ncessaires aux sauts de frquence)- Les paramtres RACh pour laccs alatoire du mobile la station (f et slot)- La confirmation de linscription du mobile sur cette station

Les canaux de contrle communsCanal RACh (Random Access Channel)

Ce canal permet au mobile de faire un requte montante du type ALOHALa nature de la requte (authentification, communication,SMS,.) est cod sur 8bitLencodage canal est 8 + (6 CRC + 6 N de station) modulo 2 = 14 bitLe code convolutionnel donne (14 + 4 trane) x 2 = 36 bitFormat du paquet insrer dans un slot

Squence de synchronisation Bits de donnes 8 41 36 3Slot 577 s 156,25 bit68,25 bits de bourrageLa station de base rpond sur le canal AGCh (Acces Grant Channel) etalloue un canal de signalisation ddi la requte

Les canaux de contrle communCanal AGCh (Acces Grant Channel)Sur ce canal la station de base renvoie un message dallocation de 23 octetsqui deviennent 8 blocs de 57 bits envoys sur 4 ITLe message dallocation donne- les n de porteuse et slot- la description de sauts de frquence- le paramtre TACanal PCh (Paging Channel)Sur ce canal la station de base lance les appels pour communiquer avec un mobile(appel tlphonique SMS)Elle envoie un message dappel de 23 bit qui renferme lidentit temporaire(TMSI) sous laquelle le mobile est dclar dans la station de baseLe mobile rpond sur RACh

Canal CBCh (Cell Broadband Channel) Ce canal est prvu pour envoyer aux mobiles prsents dans la cellule des informations gnrales urgentes (routires, mto..

La couche liaisonLa couche liaison permet un accs partag de la mme ressource physique,une porteuse et un slot donns dans le cas GSM;Le protocole LAPD (Link Acces Protocol du Canal D) dvelopp pour le RNISet similaire X 25 (Minitel, distribanques) est utilis. Il sagit de rseau commutation de paquets

Station /RouteurRessource partagDans la cas du GSM, les canaux bidirectionnels SDCCh (signalisation), SACCh, FACChutilisent le protocole LAPD. Les canaux unidirectionnels BCCh, PCh, RACh utilisent une version rduite sans accus de rception

Protocole LAPDFanion

Champ Adresse locale

Champ de contrle

Nb octets info

Information

CRC

Fanion8 7 6 5 4 3 2 1C/RLe fanion sert reprer le dbut de trame

Le champ adresse donne une adresse qui est temporairedurant la communication, il permet didentifier le terminalet quelque fois la couche de niveau suprieure activer

Le champ de contrle donne la nature du prsent paquet- paquet dtablissement de la connexion- paquet dinformation avec contrle du flux- paquet de libration de la connexionLe champ contrle permet de surveiller les flux de paquetsN(S) N paquet mis, N(R) N paquet attendu

Le champ dinformation transporte les donnes,Dans le cas dun paquet dinitialisation, ce champ transporte lidentificateur du destinataire

CRC Champ de controle des erreurs

Scurit du protocole LAPDRouteurRouteurRouteurTerminalTerminalTerminalTerminalBase dedonnesabonnsLe paquet dinitialisation dune connexion (mis par ex ici par un terminal destination du serveur base de donnes)marque un jeu piste en associant un N de voie logique avec un canal physique.

Tous les paquets suivants de la connexion suivent ensuitele mme chemin. Les tables de routage, construits aumoment de la connexion, associe un canal physiquedentre et le N de voie logique du paquet transportun autre canal et le nx N de voie logique rserv au moment de la connexion.

Protocole LAPD pour mobileChamp adresse

Champ de contrle

Nb Octets information

Information

Octets de bourrage1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 23 ou 21 SACChLa longueur des paquets est fixe 23 ou 21 octetsCes paquets sont vhiculs sur des canaux radio entre MS et BTS sur des canaux filaires entre BTS BSC MSC

Les informations transportes font la gestion de : la ressource radio MS, BTS, BSC (RR) lauthentification, lallocation des canaux entre MS et MSC dont la voix (MM)- la signalisation, et le suivi des appels (CM)

RR Radio RessourceMM Mobile managementCM Connection ManagementCes 3 entits ne sont pas traite comme des couches ISO distinctesLes paquets montent dans lentit de traitement adapt

Architecture du rseauInterface AVoix 64 kbit/sCanaux MICVLRHLRVLRRTCBTS Base Transceiver StationBSC Base Station ControllerMSC Mobile Switching CenterHLR Home Location RegisterVLR Visitor Location RegisterRTC Rseau de Tlcom CommutInterface A bisVoix 13 kbit/sCanaux 16 kbit/s

Architecture des canauxBSCBTSTCh

SDCChSACChFACChBCCh.Canaux de trafic (type B)Canaux de signalisationet de gestion (type D)TRAUTRAU Transcoder Rate Adaptor UnitMSCVoix 64 kbit/sVoix 13 kbit/s

Fonctions respectivesBTS - Transmission radio : modulation, galisation , codage derreurs multiplexage TDMA, saut de frquence, mesures radio ( transmises BSC) - Gestion des couches liaison LDAPm et LDAPRemarque Une BTS peut comporter jusqu 16 porteuses mais dans la pratique moins de 10 dont la balise soit une capacit denviron 72 communications simultanes. La puissance mise dpend de la zone couvrir et peut aller au maximum jusqu 300 Watts

BSC Gestion des ressources radio : affectation des canaux, contrle des puissances radio, handover - Concentration du trafic des voies 13 kbits vers BTS - Codage Dcodage de la parole 13 64 kbit/s vers MSCRemarque Une BSC est relie par des liaisons MIC aux BTS et son MSC de rattachement et assure la gestion des liaisons LDAP sur ces MIC; Capacit 100- 1000 communications MSC - Commutation MIC - Passerelle avec le rseau fixe - Gestion de VLR - Transmission des messages courts SMSCapacit 100 000 abonns/ 0,025 erlang

Pile des protocolesCMMMRR

LAPDm

RadioMS

BSCCMMM

MTPSS7MIC MSCMTP Messages Transfert Protocole de SS7

Les servicesLes services GSM ont t calqus sur ceux du RTC mais senrichissent tous les jours

Voici une liste non exhaustive- Transmission de la voix- Messages courts SMS- Circuits de donnes 1200, 2400, 4800, 9600 kbit/s ( Email, Internet/WAP)- GPRS- Fax- Identification du N appelant- Renvoi dappel- Double appel/Mise en instance- Confrence- Consultation et alerte sur facturation- Restriction dappel entrants et sortants

Rseau SMSSDCCh Signaling Data Control ChannelChaque MSC possde un serveur de SMSLes serveurs dialoguent entre eux par un rseaude donnes (souvent X25 ou Internet)Les changes avec le mobile se font sur le canalde signalisation. Les couches basses sontLAPD et MTP SS7 surmontes de RR, MM et CMCes couches assurent la connexion 1-3, les textessont encods dans des couches applications SM ALSM TL

Rseau GPRSInfrarougeBluetoothA bis ASGSNGGSNSGSNRseau IPServing GPRS Support NodeGateway Gprs Support NodeUne connexion IP est alloue de bout en boutentre le PC et le SGSN. Ladresse IP restela mme en cas de handover

Identification des utilisateursMobile Country Code (ex France 208)Mobile Network Code (ex FT 01)Mobile Subscriber Identification CodeH1 et H2 identifiant de la base donnes HLR

Ces informations sont mises dans la carte SIM au moment de la fabrication (ROM)MSISDN ( Mobile Station ISDN Number)N de tlphone de labonn

CC 6 AB PQ MCDU

CC 33 pour la France6 abonn mobileAB donnait lidentit de loprateurPQ adresse logique du sous6ensemble HLRMCDU adresse logique de labonn dans HLRTMSI (Temporary Mobile Station Identity)

N dappel temporaire du mobileCe N est attribu la connexion par VLR

UMTS gnralitsNouvelle norme de radio tlphonie en EUBandes de frquence autour de 2 GHzMultiplexage par le code CDMA (abandon du TDMA)Services haut dbit jusqu 2 Mbit/s (vido)Dmarrage en France 2004 ?

Modulation CDMAT T T T T1 0 0 1 0DonnesCodeD x CEmissionCodeD x CRception

DmodulationSignal x CodeValide 1 Valide 0 IntegrationSignal1 0 0 1 0Code 8 bit

Dmodulation non valideSignal reuAutre codeSignal x CodeIntegration

Gnrateur de codex=1+X2+X5 Exemple de code 32 bit

Analyse frquentielleAugmentation du dbit par utilisation dun canal plus large et continuellementUn code= 384 kbit/s 5 codes pour 1 utilisateur= 2Mb/s

ConclusionUMTS Unprobable Mobil Telecom System ?

ou

2004 ?roland.gerber@wanadoo.fr