Réseaux Mobiles GSM PDF

Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 1/11 I.1 Introduction : Parmi les systèmes des radios communications mobiles, le GSM en particulier, est le premier système cellulaire numérique. Très répandu dans le monde, il offre cert...

Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 1/11 I.1 Introduction : Parmi les systèmes des radios communications mobiles, le GSM en particulier, est le premier système cellulaire numérique. Très répandu dans le monde, il offre certains services, et permet l’échange d’information entre deux ou plusieurs usagers avec une qualité raisonnable. I.2 Architecture du réseau GSM : Un réseau de radiotéléphonie a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC). Il s'interface avec le RTC et comprend des commutateurs. Il est caractérisé par un accès très spécifique: la liaison radio. Enfin, comme tout réseau, il doit offrir à l'opérateur des facilités d'exploitation et de maintenance. Un réseau de radiotéléphonie peut donc se découper en trois sous ensembles :  Le sous-système radio (BSS, Base Station Subsystem) qui assure les transmissions radioélectriques et gère la ressource radio.  Le sous-système d’acheminement appelé couramment réseau fixe (NSS, Network Switching Subsystem) qui réalise les fonctions d’établissement des appels et de la mobilité.  Le sous-système d’exploitation et de maintenance (OSS, Operation and Support System) qui permet à l’exploitant d’administrer et de gérer son réseau. A ces trois sous-systèmes propres au réseau, il faut ajouter bien sûr le poste mobile (MS, Mobile Station). I.2.1 Sous-système radio BSS : Le BSS gère toute la partie radiocommunication avec les postes mobiles (MS). Il est principalement composé des éléments suivants :  La station de base (BTS, Base Transceiver Station).  Le contrôleur de stations de base (BSC, Base Station Controller). I.2.2 Sous-système d’acheminement NSS : Le NSS assure les fonctions traditionnelles de la commutation téléphonique, comme la commande d'appel, l’analyse des numéros, la taxation, etc. Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 2/11 Fig1.1: Architecture du réseau GSM. Il est composé des entités fonctionnelles suivantes :  Le commutateur de services mobiles (MSC, Mobile Switching Center).  L’enregistreur nominal de localisation (HLR, Home Location Register).  L’enregistreur de localisation des visiteurs (VLR, Visitor Location Register).  Le Centre d’Authentification (AUC, AUthentication Center).  Le Registre d’Identité des Equipements (EIR, Equipment Identity Register).  La signalisation entre toutes ces entités est assurée par le réseau de signalisation CCITT N°7. I.2.3 Sous-système d’exploitation et de maintenance OSS : Les éléments constituants les deux sous réseaux précédent sont reliés à distance, via X25, au centre d’exploitation et de maintenance. Dans un réseau GSM l’OSS comporte un OMC-R (centre d’exploitation et de maintenance radio) et un OMC-N (centre d’exploitation et de maintenance réseau). Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 3/11 I.3 Bandes de fréquences allouées : GSM900 GSM1800 GSM1900 Fréquence d'émission du terminal 890-915 MHz 1710-1785MHz 1850-1910MHz vers la station de base Fréquence d'émission de la station de 935-960 MHz 1805-1880MHz 1930-1990MHz base vers le terminal Bande fréquence disponible 25+25 MHz 75+75MHz 60+60MHz Mode d'accès AMRT/AMRF AMRT/AMRF AMRT/AMRF Espacement des canaux radio 200 KHz 200 KHz 200 KHz Espacement du duplex 45 MHz 95MHz 80MHz Nombre de canaux radio par sens 124 375 300 Nombre de canaux de temps 8 8 8 Type de transmission Numérique Numérique Numérique Débit brut d'un canal radio 270 Kbit/s 270 Kbit/s 270 Kbit/s Débit brut d'un canal de phonie à 22.8 Kbit/s 22.8 Kbit/s 22.8 Kbit/s plain débit Débit d'un codec à plein débit 13 Kbit/s 13 Kbit/s 13 Kbit/s Type de modulation GMSK GMSK GMSK Type de codage RPE-LTP RPE-LTP RPE-LTP Tab1.1: Différent caractéristique de réseau GSM. I.4 Structure géographique du réseau : Le réseau GSM est hiérarchiquement structuré en zones possédant chacune un identifiant; le schéma suivant présente cette structure géographique avec les codes associés à chaque zone Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 4/11 MC GSM service Area C CC PLMN service Area MN C MSC service Area ND CMSC Location Area Identity Cell LA C LA I CI CG I Fig1.2: Structure géographique du réseau GSM I.4.1 GSM service Area : C’est toute la zone géographique dans laquelle un abonné peut accéder à un réseau GSM. Elle est identifiée par MCC (Mobile Country Code) et CC (Country Code). I.4.2 -PLMN service Area : C’est l’ensemble des cellules servies par le réseau d’un opérateur. Il est identifié par MNC (Mobile Network Code) et NDC (Network Destination Code). I.4.3 -MSC service Area : C’est un ensemble de zones de localisation (LAs) représentant la partie géographique du réseau contrôlée par un MSC. I.4.4 -Location Area : Regroupe un certain nombre de cellules contrôlées par un ou plusieurs BSCs et permet de connaître la localisation de l’abonné dans le réseau et ainsi faciliter la procédure de recherche. Elle est identifiée par LAI (Location Area Identity) où LAI = MCC+MNC+LAC. Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 5/11 I.4.5 - Cell : C’est l’unité de base d’un système cellulaire définie comme étant la zone couverte par une BTS. Elle est identifiée globalement par CGI (Cell Global Identity). I.5 - Les interfaces réseaux : Les interfaces sont des composantes importantes du réseau car elles assurent le dialogue entres les équipements et permettent leur inter fonctionnement comme indique le fig1.3 suivant : Fig1.3: Les interfaces dans le réseau GSM. I.6 - L’interface radio (Um) : Il est localisé entre la station mobile (MS) et la station de base (BTS), c’est l’interface la plus importante du réseau. Au niveau physique l’interface Um est la seule qui n’utilise pas la transmission de données à 64 Kbit/s, il se singularise également par l’emploi d’un protocole adapté au traitement d’un canal à fort taux d’erreurs: le LAPDm. Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 6/11 I.7 - Modulation GMSK: La modulation utilisée dans le système GSM est appelée « Modulation à Déplacement Minimal Gaussien » (GMSK Gaussian Minimum Shift keing). Il s’agit d’une modulation MSK à laquelle on a ajouté un filtre passe –bas Gaussien dans le but de diminuer l’occupation spectrale de signal modulé. Filtre Gaussien Modulation Signal Séquence binaire Passe bas H(f) MSK modulé (NRZ) Fig 1.4 : Modulateur GMSK Le signal modulant est filtré par un filtre de pré-modulation gaussien dans le but de diminuer l’occupation spectrale du signal modulé. Il s’agit donc d’une modulation de fréquence à phase continue (avec un indice de modulation égale à 1/2). On caractérise généralement ce filtre: et la modulation GMSK correspondante, par la valeur du produit B*Tb, où Tb représente la durée d’un bit et B la fréquence de coupure à 3 dB du filtre gaussien. Dans le GSM B*Tb = 0.3. I.8 - Partage de la ressource radio: Un système radio-mobile a besoin d’une partie du spectre radio pour fonctionner. Les concepteurs doivent donc demander une bande de fréquence auprès de l’instance officielle chargée de la gestion du spectre. Pour un système à prétention internationale, la bande est allouée au niveau de l’UIT (Union Internationale des Télécommunications). La bande dédiée au système GSM est de 890 à 915 MHz pour la voie montante et de 935 à 960 MHz pour la voie descendante soit 2×25 MHz; les bandes de fréquence allouées à son extension DCS sont de 1710 à 1785 MHz pour la voie montante et de 1805 à 1880 MHz pour la voie descendante soit 2×75 MHz. La bande radio représentant une ressource rare, les défendeurs de la norme doivent l’utiliser à bon escient et avec parcimonie. Le premier choix architectural a donc été de découper le spectre alloué pour obtenir des canaux physiques qui supporteront une communication téléphonique. I.8.1 - Partage en fréquence (FDMA) (Frequency Division Multiple Access): Chacune des bandes dédiées au système GSM est divisée en 124 canaux fréquentiels d'une largeur de 200 kHz. Sur une bande de fréquence sont émis des signaux modulés autour d’une fréquence porteuse qui siège au centre de la bande. Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 7/11 Les fréquences sont allouées d’une manière fixe aux différentes BTS et sont désignées souvent par le terme de "porteuses", de plus, il faut veiller à ce que deux BTS voisines n’utilisent pas des porteuses identiques ou proches. T 1 I J 124 t1 F 200khz Fig 1.5 : AMRF (GSM 900) I.8.2 - Partage en temps (TDMA) (Time Division Multiple Access): Principe : Chaque porteuse est divisée en intervalles de temps appelés slots. La durée élémentaire d’un slot a été fixée pour la norme GSM sur une horloge à 13 MHz et vaut: Tslot = (75/130) ×10-3s soit environ 0.5769 ms. Un slot accueille un élément de signal radioélectrique appelé burst, L’accès TDMA permet à différents utilisateurs de partager une bande de fréquence donnée. Sur une même porteuse, les slots sont regroupés par paquets de 8. La durée d’une trame TDMA est donc: TTDMA = 8×Tslot =4.6152 ms. Chaque usager utilise un slot par trame TDMA. Les slots sont numérotés par un indice TN qui varie de 0 à 7. Un “ canal physique ” est donc constitué par la répétition périodique d’un slot dans la trame TDMA sur une fréquence particulière. Les concepteurs de GSM ont prévus la possibilité de n’allouer à un utilisateur qu’un slot toutes les 2 trames TDMA. Cette allocation constitue un canal physique demi-débit par opposition au canal plein débit défini précédemment. Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 8/11 Tslot=0.5769 f1 1 2 3 4 5 6 7 8 T 4.6152 ms Fig 1.6 : Structure d’une trame GSM (TDMA 8) I.9 - Organisation des Canaux Radio: L’interface radio GSM est basée sur le découpage de spectre en porteuses espacées de 200KHz (principe de AMRF), chaque porteuse est découpée en 8 slots (principe de AMRT). I.9.1 Les canaux physiques : Un canal physique simplexe est la répétition d’un slot dans chaque trame AMRT. Un canal physique duplexe est formé d’une paire de canaux physiques simplexe (les deux canaux sont séparés de l’écart duplexe). La voie montante est décalée de trois slots par rapport à la voie descendante. Si la porteuse supportant la voie descendante est fd , la voie montante est sur fM. On a: fM= fd- ∆ψ avec ∆ψ est l’écart duplexe I.9.2 - Les canaux logiques : Sur chaque canal est définit une structure de multi trame, cette structure permet d’affecter régulièrement un intervalle de temps à la transmission d’un type d’information bien définit, on forme ainsi des canaux logiques multiplexés sur un canal physique. I.9.2.1 Les canaux de commande (control channels) : I.9.2.1.1 Canaux de diffusion BCH: a) Canal FCCH : Le canal FCCH (Frequency Correction Channel) consiste en un burst particulier émis environ toutes les 50 ms. Le burst est composé de 148 bits à 0. S’il est émis sur une fréquence, il donne un signal sinusoïdal. Il correspond donc à une porteuse pure légèrement décalée en fréquence qui permet un calage fin de l’oscillateur du mobile. Le canal Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 9/11 FCCH est présent seulement sur le TS0 de la voie balise. Il est émis dans les trames 0, 10, 20, 30 et 40 d’une multi trame à 51 trames. Il est donc émis 5 fois en 235,8 ms soit environ 20 fois par seconde. b) Canal SCH : Le burst SCH (Synchronisation Channel) n’est émis que dans le TS0 d’une trame TDMA. Il est toujours situé après le burst FCCH, après le calage en fréquence. En écoutant le canal SCH, le MS reçoit des informations relatives à la structure des trames dans la cellule (le N° de TDMA) ainsi que le code d’identification de station de base (BSIC) de la station de base sélectionnée. BSIC peut être décodé seulement si la BS appartient au GSM. c) Canal BCCH : Canal de commande de diffusion (Broadcast Control Channel). Les informations qui sont diffusées sur ce canal, sont des informations concernant la cellule et ce canal contient les informations suivantes :  la puissance d’émission (Max et Min) pour le MS  minimum de puissance reçue  les fréquences (porteuses) des cellules adjacentes  numéro de la zone de localisation (LAI) Remarque : FCCH, SCH et BCCH doivent être lus de nouveau à chaque fois que le MS change de cellule. I.9.2.1.2 Canaux communs de commande CCCH : a) PCH (canal de recherche): PCH est transmis sur la liaison downlink en mode point à point. Le MS se met à l’écoute du canal de recherche à intervalles réguliers pour voir si un réseau désire le contacter suite à l’arrivée d’un appel, d’un message court ou une authentification. Ce message de recherche comprend le numéro de signalisation du MS (IMSI) ou un numéro provisoire (TMSI). Le mobile répond alors sur la cellule dans laquelle il se trouve par un accès aléatoire sur le canal RACH. b) RACH (canal à accès aléatoire) : Le canal RACH peut également être utilisé lorsque le MS désire entrer en contact avec le réseau. Le RACH est transmis sur la liaison montante (uplink) en mode point à point. c) Canal AGCH (canal de concession d’accès) : Lorsque l’infrastructure reçoit une requête de la part d’un mobile, il faut allouer un canal de signalisation dédié pour identifier le mobile, Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 10/11 l’authentifier et déterminer précisément sa demande. L’allocation d’un canal dédié se fait sur des slots définie qui forment le canal AGCH. Le message d’allocation contient la description complète du canal de signalisation utilisé : numéro de porteuse et numéro de slot, description complète du saut de fréquence s’il est implanté. Il contient aussi le paramètre TA (Time Advance). I.9.2.1.3 DCCH (canaux de commande dédiés) : a) SDCCH ( Stand alone dedicated channel ) : Le MS et le RBS continuent la signalisation sur le canal de commande dédié autonome SDCCH. La procédure d’établissement de l’appel et la transmission de messages en texte (messages courts et diffusion cellulaire) sont effectués sur le canal SDCCH, entre autre. Le handover n’est pas autorisé pendant l’établissement de l’appel. Après établissement de l’appel, le MS reçoit une commande de passage à un canal de trafic TCH défini par la porteuse et l’intervalle de temps ; un canal SDCCH véhicule des blocs d’informations de 184 bits utiles codés en 456 bits soit 8 sous blocs de 57 bits. Ces 8 sous blocs sont transmis sur 8 bursts normaux. b) SACCH ( slow associated control Channel ) : Les canaux TCH et SDCCH possèdent chacun un canal de contrôle associé à faible débit appelés SACCH. Cas uplink : Le MS envoie des mesures moyennes sur sa propre station de base (intensité et qualité du signal) et sur les stations de base adjacentes. Cas downlink : Le MS reçoit des informations concernant la puissance d’émission à utiliser ainsi que des instructions sur l’avance de synchronisation. c) FACCH (Fast associated control Channel) : FACCH est utilisé lorsqu’un handover doit être effectué soudainement pendant une conversation. FACCH fonctionne en mode ‘vol’ signifiant qu’un segment de parole de 20 ms est remplacé par les informations de signalisation nécessaire au handover. L’abonné ne ressentira pas cette interruption de la parole car le bloc de parole sera répété par le codeur vocal. I.9.3 Canaux de trafic TCH : Il existe deux canaux de trafic, plein débit et demi-débit qui sont utilisés actuellement. Il sera possible d’utiliser les TCH à demi-débit seulement lorsque des codeurs vocaux à demi-débit offrant une qualité acceptable deviendront disponibles. Un TCH à plein débit occupe un canal physique (un TS sur une porteuse) alors que 2 TCH à demi-débit peuvent se partager un canal physique. Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019 Chapitre 5: Réseaux mobiles I. Généralités sur le réseau GSM 11/11 I.10 - Conclusion L'une des contraintes primordiales des systèmes radio mobiles est la disponibilité du spectre hertzien. Nous avons décri comment le système GSM utilise la ressource radio : Le GSM est un système à accès multiple à répartition dans le temps, travaillant sur des bandes moyennes (200 kHz), à duplexage fréquentiel où plusieurs communications simultanées peuvent être multiplexées sur un même couple de fréquence. La communication entre la station mobile et la station de base est réalisée par l’interface Um, appelé aussi interface radio. C’est l’une des interfaces les plus importantes d’un système GSM. Elle est constituée de mécanismes permettant l’émission et la réception de signaux radiofréquence de manière efficace et sûre quelle que soit la manière de propagation. Cour : Réseaux sans fils et Réseaux mobile M2 Télécom 2018-2019