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Principe des Rseaux Mobiles
Chapitre 3
Rseau GSM
Arch itectu res de Rseaux de Serv ices
Isabelle GUERIN LASSOUS
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27/01/2004 2
Historique de la norme
! 1979, World Administrative RadioConference Accord : 900 MHz pour le mobile
! 1982, CEPT Deux sous-bandes de 25 MHz
890-915 Terminaux -> Rseaux 935-960 Rseaux -> Terminaux
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Une norme europenne
!
ETSI Global System for Mobile communications Groupe Spcial Mobile
13 pays Europens pour une ouvertureconcerte en 91
! France Tlcom et SFR! Devenue norme mondiale
GSM 900, DCS 1800, PCS 1900
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Ouverture commerciale
!
Appel doffres international! Choix de la France
Alcatel et Matra
! Juillet 91, premire communication! Octobre 91, rseau de dmonstration
! Dcembre 91, rseau pilote! Juillet 92, ouverture commerciale
! 91, adaptation dans la bande 1800 MHz
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Structure de normalisation
! ETSI! Structur en comits techniques
!
1994, 350 membres dont des non-europens (Australie)
! Concurrence norme US
norme Japon
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Special Mobile Group (ETSI)
! SMG 1 dfinition desservices
! SMG 2 interface radio
!
SMG 3 rseau fixe! SMG 4 services de
donnes
!
SMG 5 Universal MobileTelecommunicationSystem
SMG 6 administration des
rseaux
SMGs 7 et 8 tests pour la station
mobile et sous-systme radio
SMG 9 carte SIM
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Principales caractristiques
!
Approche rseau Diversit des services Architecture spcifie
! Interface radio labore Entirement spcifie
! GSM 900 et DCS 1800! Systme global
Pas limit linterface radio
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Larchitecture
!
Mobiles! Sous-systme radio (BSS ou Base Station
Sub-system)! Sous-systme dacheminement ou rseau
fixe (NSS ou Network Sub-System)
! Sous-systme dexploitation et demaintenance (OSS ou Operation Sub-System)
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Schma global
BSCBSC
BSCBSC
BSCBSC
MSCMSC
MSCMSC
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
VLRVLR
VLRVLR
HLRHLRBSSBSSNSSNSS
AbisAbis AA
DD
CC
GG
AUCAUC
HH
EIREIRFF
R
T
C
P
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Mobiles
! Classe 1 : 20 W! Classe 2 : 8 W! Classe 3 (5 W), 4 (2 W) et 5 (0.8 W)! Classe 4 et 2 (GSM) et 5 (DCS) donnent les contraintes
! Identit ou IMEI
non agrs ou vols! AEG, Alcatel, Ericsson, Motorola, Orbitel, Panasonic,
Philips, Siemens
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Fonctions de la BTS
!
Base station Transceiver System! Transmission radio
Modulation/dmodulation, galisation, codage,
correction derreur! Mesures de qualit radio (transmises au
BSC)! Un TRX = 1 porteuse = 7 communications Rural BTS=1 TRX, Urbain BTS=2-4 TRX
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Types de BTS
!
BTS Standards (2,5-320 Watt) Antennes + cble + coupleur + 1-4 TRX
! Micro BTS (0.01-0.08 Watt) Zone urbaine dense
Equipement intgr
Cot faible
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Exemple de BTS
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Micro BTS
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Schma global
BSCBSC
BSCBSC
BSCBSC
MSCMSC
MSCMSC
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
VLRVLR
VLRVLR
HLRHLRBSSBSSNSSNSS
AbisAbis AA
DD
CC
GG
AUCAUC
HH
EIREIRFF
R
T
C
P
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Fonctions du BSC
! Base Station Controller! Partie intelligente du BSS
Supervise une ou plusieurs BTS
! Gestion des ressources radio
Contrle dadmission, allocation des canaux Reoit les mesures des BTS Contrle de puissance des mobiles/BTS Dcision et excution du Handover
! Interfaage entre BTS et MSC
! Pour Paris intra-muros quelques dizaines de BSC
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Couches du sous-systme radio
!
Philosophie des couches ISO! BSS
Couche 1 physique
Couche 2 liaison de donnes fiabilisation de la transmission (protocole)
Couche 3 rseau gestion des circuits commuts
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Fonctions du MSC
!
Mobile Switching Center Commutateur du service mobile! Supervise plusieurs BSC! Communication mobile et autre MSC! Handover si hors BSC
! Interconnexions Avec le rseau fixe Avec le VLR
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Fonctions du VLR
!
Visitor Location Register Base de donnes visiteurs
! Caractristiques des mobiles itinrants Diffrentes identits
Type dabonnement
Zone de localisation Numro pour router les appels entrants
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Fonctions du HLR
! Home Location Register Base de donnes nominale
! Mmorise les caractristiques dun abonn
Identification internationale Numro dannuaire dabonn Profil dabonnement
! Mmorise le VLR o labonn est connect (mme ltranger)! Centralis ou non
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Schma global
BSCBSC
BSCBSC
BSCBSC
MSCMSC
MSCMSC
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
BTSBTS
VLRVLR
VLRVLR
HLRHLRBSSBSSNSSNSS
AbisAbis AA
DD
CC
GG
AUCAUC
HH
EIREIRFF
R
T
C
P
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Autres
!
EIR Base de donnes des quipements Contrle homologation, dclaration de vol...
!AUC Centre dauthentification Codes PIN des cartes SIM
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Fonctions du OMC
! Operating and maintenance center
! Gre les MSC et BCC Mise jour
Consultation
Gestion maintenance
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Carte SIM
! Subscriber Identity Module! Indpendante du terminal! Informations
Identit abonn Code PIN Informations dabonnement
Authentification et chiffrement Derniers numros reus Dernire zone de localisation visite
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Interface Radio GSM-DCS! 890-915 MHz
! 935-960 MHZ! cart 200KHz
! 0,3 30 km! 2 8 W
1710-1785 MHz
1805-1880 MHz
Ecart 200KHz
0,1 4 km
0,25 1 W
Multiplexage Frquence & Temps
Modulation GMSK : 271 kbit/s
Parole : 13 kbit/s Donnes 12 kbit/s
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Couche physique
Slot 1 Slot 2 ... Slot i ... Slot N Slot 1 ...
trame
Prambule PostambuleMessage
temps de garde
burst
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Tramage hirarchique (GSM)
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Canaux logiques
!
Correspondance entre canaux physiques etcanaux logiques
! Canal logique a un rle
! Canaux de donnes/trafic
! Canaux de signalisation/contrle Signalisation Out-band
Signalisation In-band
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Catgories! Broadcast Control Channel (groupe BCCH)
Diffusion dinfos gnrales, voie descendante! Common Control Channel (groupe CCCH)
canaux partags pas tous les usagers, voie
descendante et montante! Dedicated Control Channel (groupe DCCH)
Voie descendante et montante
! Traffic Channel (groupe TCH) Signalisation usager rseau, voie descendante etmontante
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Groupe BCCH
! Broadcast Control Channel (BCCH) Information sur le systme
Numro de cellules, paramtre de slection des cellules,paramtres pour laccs alatoire, description des canaux
logiques, description des cellules voisines...
! Frequency Correction Channel (FCCH)
Calage sur la frquence porteuse! Synchronisation Channel (SCH)
Synchronisation et identification
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Groupe CCCH
! Paging Channel (PCH) Localisation pour SMS et demande dappel (rponse du
mobile sur le RACH)
! Random Access Channel (RACH) Montant, accs alatoire (demande des mobiles)
! Access Grant Channel (AGCH) Message dallocation d un canal de signalisation
(SDCCH) et Timing Advance
! Cell Broadcast Channel (CBCH)
Diffusion d informations applications (mto, routes)
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Groupe DCCH! Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH)
Pour ltablissement dappel et mise jour de localisation
! Slow Associated Control Channel (SACCH)
Instrumentation dun canal de trafic (TCH ou SDCCH) Contrle de puissance, contrle qualit radio, rapatriement des
mesures
! Fast Associated Control Channel (FACCH) Extension de la capacit du SACCH par vol de slots aux canaux de
trafic quil instrumente Utilisation en Handover uniquement
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Groupe TCH
!
Parole ou donnes
! Plein dbit
! Demi-dbit descendant
! Huitime de dbit Descendant
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Services GSM
!
Services support garantie dune capacit de communication
! Tlservices Prise en compte des terminaux
! Services supplmentaires
Facilits dutilisation (option)
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Services supports/tlservices
EquipementEquipement
TerminalTerminalEquipementEquipement
TerminalTerminalRseauRseau
Services supportsServices supports
TlserviceTlservice
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Services supports de GSMType de service Transfert Dbit Accs Mode Remarque3,1 KHz
300, 1200, 2400, 4800
ou 9600 bit/s Asynchrone T ou NT
V.21, V.22bis,
V.-ter et V.32
3,1 KHz
1200, 2400, 4800 ou
9600 bit/s Synchrone T ou NT
V.22, V.22bis,
V.26ter et V.32
3,1 KHz
BS->MS 1200 bit/s
MS->BS 75 bit/S Asynchrone T ou NT
Appel depuis
un mobile, V.23
UDI
300, 1200, 2400, 4800
ou 9600 bit/s Asynchrone T ou NT
UDI
BS->MS 1200 bit/s
MS->BS 75 bit/S Asynchrone T ou NT
Appel depuis
un mobile.
UDI
1200, 2400, 4800 ou
9600 bit/s Synchrone T ou NT
UDI(PAD)
300, 1200, 2400, 4800
ou 9600 bit/s Asynchrone T ou NT
Accs asynchrone un
rseau de donnes UDI(PAD)
BS->MS 1200 bit/s
MS->BS 75 bit/S Asynchrone T ou NT
Appel depuis
un mobile.Accs synchrone un
rseau de donnes UDI(Paquet)
2400, 4800 ou 9600
bit/s Synchrone NT
Appel depuis
un mobile.
Circuit de donnes
T=transparent NT=nonT=transparent NT=non--transparent UDI=numrique de b en btransparent UDI=numrique de b en b
PAD=assembleur de paquetPAD=assembleur de paquet
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Tlservices de GSMClasse Dnomination Abrviation
Tlphonie
Appels d'urgenceMessages courts vers un
mobile en point point SM MT/PP
Messages courts venant d'un
mobile en point point SM MO/PPMessages courts en diffusion
vers mobiles
Transmission alterne voix/fax
groupe 3 (T ou NT)
Transmission automatique fax
groupe 3 (T ou NT)
Transmission de la
voix
Messages courts
Fax
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Services supplmentaires de GSM
! Identification de numro (appelant/appel)
! Renvoi dappel
! Double appel
!Appel en confrence
! Groupe ferm dusagers
! Facturation
! Restriction dappel
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Numrotation lie la mobilit! IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
identit invariante de labonn international
! TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
identit temporaire Attribu par un VLR
! MSISDN (Mobile Subscriber ISDN)
numro dabonn (extrieur)! MSRN
attribu lors dun appel (acheminement)
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Numro et identit
Mr DupontMr Dupont
MSISDNMSISDN
33 06 07 62 17 7333 06 07 62 17 73IMSIIMSI
208 01 314159208 01 314159
IMSI 208 01 314159IMSI 208 01 314159
SIMSIM
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Echanges lors dun appelVLR
HLRMSC GMSC
(1)(2)(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
MSISDN
MSISDNIMSI
MSRN
TMSI ou IMSI
MSRN
MSRN
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Authentification et chiffrement
! Des nombres alatoires RAND
! Une cl dauthentification Ki Secrte et attribue lusager(jamais transmise)
! Une cl de chiffrement Kc! Un algorithme SRES = A3(RAND,Ki)
!
Un algorithme Kc=A8(RAND,Ki)! Un algorithme A5 de chiffrement/dchiffrement
(Kc)
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Authentification
A3 A3
HLRSIM
K i K i RAND
=Refus
SRES
Accept
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Chiffrement
A8A8 A8A8
VLRVLR
SIMSIM
KiKi KiKiRANDRAND
KcKc KcKc
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Donnes de scurit
SIMSIMVLRVLR HLR/AUCHLR/AUC
IMSIIMSI
TMSITMSI
KcKc
KiKi
A3A3
A8A8A5A5
KcKc
A5A5
IMSIIMSI
TMSITMSI
KcKcRANDRAND
IMSIIMSI
KiKi
KcKc
RANDRAND
SRESSRES
A3A3
A8A8
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Quelle mobilit ?
"micro-mobilit = mobilit radiopermettre un abonn de changer de cellule touten maintenant sa communication avec le rseau
"macro-mobilit = mobilit rseaupermettre un abonn de bnficier des services
auxquels il a souscrit sur toute une zone decouverture
Rsau Mobile 1 Mobilit macroscopique
Mobilit microscopique
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zone 1zone 2
Rsau Mobile 2
Mobilit microscopique
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Quels mcanismes en jeu ?
! Handoverou transfert inter/intra-cellulaire
! Mcanisme de slection/reslection decellules et mcanisme de gestion de lalocalisation
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Gestion de la micro-mobilit
! Handover= assure les transferts de
communications en cours entre les cellules(mobile allum uniquement)
! Objectif : maintenir une qualit de communicationsuffisante entre le mobile et le rseau travers un
changement de frquence ou de cellule
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Fonctions du handover! permettre aux usagers de se dplacer en cours
dappel! minimiser les interfrences (global et par rapport
un lien)! optimiser lutilisation des ressources radio
! quilibrer la charge de trafic entre les cellules
! baisser la consommation dnergie des mobiles
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Principe de base! Pendant la communication : mesure et valuation
priodique du lien radio! Situation anormale
#alarme BSC MSC
! MSC identifie une cellule cible et/ou un nouveau canal si ok : handoverdclench
sinon : communication continue sur le mme canal et des
handovers sont priodiquement tents! Aprs handover, lancien canal est libr
L 3 h d h d
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Les 3 phases du handover
! Prise de mesures et supervision du lien
! Choix de la cellule cible et dclenchement duhandover
! Excution du handover (i.e. transfert effectif desliens)
temps
I di d d l h
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Indicateurs de dclenchement
! Puissance du signal reu
! taux derreur binaire (tmoin du C/I)
! Distance (mobile, BS)
! etc.Rq:
Entre 3 et 10 types de mesures Priodicit = 480 ms
Dresse une liste de 6 cellules candidates
D l h t d h d
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Dclenchement du handover
! P(SignalV) > P(SignalR) + margedhystrisis
! P(SignalR)
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Procdure dexcution
! Hard handover
ancien lien libr avant ltablissement dunouveau lien avec la BS cible
! Seamless handover
pendant ...
! Soft handover
aprs ...
H d h d
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Hard handover
! Commutation + routage des infos vers lenouveau lien : simultanment
$ Un seul canal radio la fois% Lgre interruption de la communication
MSC
Avant
MSC
Pendant
MSC
Aprs
Circuit non tablicircuit tabli (lien physique et logique)
G ti d l'Iti
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Gestion de l'Itinrance
! Deux mcanismes
! Localisation savoir o se trouve le mobile tout moment
! Recherche mettre des messages davis de recherche
dans les cellules visites dernirement
Z d h h
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Zone de recherche
user (moves and
roam)
BSC
MSCBSC GMSC GMSCin anothercountry
PSTN
VLRVLR
HLR
paging
paging
are
a
are
a
J-FW
agen([email protected])
BSC
Zones de localisation
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Zones de localisation
! BTS mettent un
numro delocalisation
!
Au changement dezone le mobilesignale sa
localisation! Signaux
priodiques
Zone AZone A
Zone BZone B