Introduction aux réseaux GSM

17/04/23 Tunisiana Confidential 1

Introduction aux Réseaux GSM

Plan de la formation

• Introduction• Le concept cellulaire• L’environnement Radio• Architecture d’un réseau GSM• Différentes fonctions MS

Introduction

• Apparition de systèmes pré-cellulaires analogiques (Detroit en 1921: services de police)

• Inconvénients: Saturation rapides des ressources radio+aucune gestion de la mobilité

• Concept de partage des ressources (début des années 60)• 1971: Bell Telephone présente le concept cellulaire• 1975: AMPS (Advanced Mobile Phone Service) : premier système cellulaire moderne

avec:– Gestion des ressources radio

– Séléction de la meilleure fréquence

– Réalisation des transferts inter-cellulaires (Handover)

• 1990s: passage au mode numérique:– Meilleure restitution de la parole

– Optimisation des ressources radio

– Nouveaux services

– Cryptage de l’information

Introduction

Principaux acteurs:• Constructeurs:

– Infrastructure réseau

– Infrastructure radio

– Terminaux

• Opérateurs:– Publics

– Privés

• Administrateurs:– Attribution des fréquences

– Homologation

– Organismes de normalisation…

Le concept cellulaire (1)

• Concept de base: – Division du territoire en cellules

– Partage et réutilisation des ressources radio entre les différentes cellules

• La cellule: unité géographique du réseau– Taille variable en fonction du

relief, de la densité d’abonnés… (de 0.2 à 35 Km)

– Structure hiérarchique (cellules macro, micro…)

• Chaque cellule possède un émetteur-récepteur– Groupe de fréquences radio

attribué à chaque cellule

– Technique de multiplexage (TDMA, FDMA)

• Difficulté supplémentaire: itinérance de l’abonné– Gestion des transferts inter-

cellulaires (Handover)

Techniques de multiplexage:

– Accès multiple en fréquence (FDMA)

– Accès multiple en temps (TDMA)

• Macro Cellules– Zones à population dispersée ( diamètre: 10-30km)– Usage: voiture, train, etc….

• Micro Cellules– Zones à population très denses ( 100 à 300m)– Usage: piétons

• Cellules parapluie– Pour éviter un nombre trop important de

commutations entre cellules– Peuvent remédier aux « trous » de couverture

Problématique cellulaire:

• Objectifs économiques– Types de services/terminaux

– Densité des utilisateurs

– Types de couvertures (Deep Indoor, Indoor, Incar…)

• Ressources Radio– Optimisation

– Réutilisation

L’environnement Radio

La liaison radio est assurée par un ensemble de:

• Emetteurs (puissance)• Récepteurs (sensibilité)• Câbles• Antennes• Espace libre (Modélisation)

L’environnement Radio

Le canal de communication radio-mobile:

• Variable, incontrôlable, dépendant de:– Morphologie du terrain, nature de la végétation, densité et nature des

bâtiments

– Température, humidité… Difficulté pour prévoir l’atténuation

• Impact direct sur:– Qualité

– Définition des canaux

– planification

Propagation Radio-mobile

Plusieurs dégradations:

• Pertes dues à la distance (pathloss)• Atténuations dues aux effets de masques (shadowing)• Evanouissements dus aux multitrajets (fadings)• Brouillages dus aux interférence avec le système• Brouillages dus aux interférence avec le bruit ambiant

(autres systèmes)

2)]/(4[Pr

dPtGrGt

Propagation en espace libre

Puissance réçue

Puissance émise

Perte en espace libre

Gain de l’émetteur

Gain du récepteur

Effet de Masque (Shadowing)

C’est la principale atténuation subie

par le signal due aux obstacles

naturelles et/ou aux structures

artificielles. On distingue alors deux

modes de propagation:

• Propagation en vision directe: aucun obstacle entre l’émetteur et le récepteur

• Propagation sans vision directe: existence d’un ou plusieurs obstacles entre l’émetteur et le récepteur.

Les multitrajets

• Le signal reçu par le récepteur représente la combinaison de:

– Signal provenant directement de l’émetteur

– La somme des signaux reçus indirectement par diverses mécanismes (réflexions, diffractions…)

• Effet positif– Franchir les obstacles

• Effets négatifs– Dispersion des retards

Fadings (altération d’amplitude et de phase)

– Interférence multitrajets

Effets conjugués

Modèles de propagation

• Canal de propagation incontrôlable, variable

• Phénomènes de propagation multiples

Nécessité de modèles empiriques de propagation (Okumura-Hata…)

Outils de simulation

Interférences et brouillage

• Bruits– Thermique

– Basse fréquence…

• Interférences– Co-canal

– Canal adjacent Co-canal

Canal adj

fréquence

Les composantes d’un site GSM

Les antennes

Les antennesA

Connector

Dipole

Les antennes cross polar (1)

Connector - 45Connector + 45

Les antennes cross polar (2)

Les antennes dual band

Les antennes

Ouverture d’antenne

Azimut

Tilt mécanique vs électrique

• Tilt mécanique:– Variable– Altération du diagramme de gain

(Pb: non tenue en compte au niveau des logiciels de planification!!)

• Tilt électrique:– Conserve le diagramme de gain – Fixe

Antennes à tilt électrique variable

Effet terrasse

Les câbles (1)

Référence du câble Diamètre

Vitesse de propagation

Attenuation db/100m 900 MHz

Attenuation db/100m

1800 MHz

CELLFLEX LCF 12-50 1/2” 0,88 7,04 9,91

CELLFLEX LCF 78-50 7/8” 0,88 4,01 5,73

CELLFLEX LCF 114-50 1 ¼” 0,88 3,34 4,91

CELLFLEX LCF 158-50 1 5/8” 0,88 2,42 3,56

Les câbles (2)

Lorsque les impédances de l’antenne et du câble coax et connecteurs sontdifférentes, il apparaît sur la ligne desondes stationnaires. Cette inadaptationpeut s’exprimer de deux façons:

• TOS (Taux d’Ondes Stationnaires) ou SWR (Stationay Wave Rate)

• ROS (Rapport d’Ondes Stationnaires) ou VSWR (Voltage SWR)

Les câbles rayonnants

• Limiter l’influence des trajets multiples et des effets de masques et affaiblissements rapides en assurant une couverture uniforme

• Application: tunnel

Intermodulation

• Phénomène faisant apparaître des fréquences non désirées à partir de fréquences d’entrée, causé généralement par des comportements non linéaires des composants

NB: les mauvaises soudures, l’oxydation et les mauvais contacts (mauvais serrage des connecteurs) peuvent êtres à l’origines de comportements non linéaires

Intermodulation

Bilan de liaison

• Principe: comptabiliser tous les gains et les pertes au niveau des émetteurs/récepteurs de façon à équilibrer les pertes admissibles dans les liens montant et descendant (uplink et downlink)

Bilan équilibré Bilan déséquilibré

Amélioration de la couverture

• Booster• REK• TMA (Tower mounted

Amplifier)

Feeder

Antenna

Tx / Rx

Duplexer

Tx RxTMA

Architecture d’un réseau GSM

Architecture d’un réseau GSM (2)

HLR = Home Location RegisterVLR = Visitor Location RegisterEIR= Equipement Identity RegisterMSC = Mobile Switching Centre

Chaque Mobile Station (MS) comprend:-ME = Mobile Equipment-SIM = Subscriber Identity Module

BSS = Base Station Sub-SystemBSC = Base Station ControllerBTS = Base Transceiver Station

Le Mobile

Carte SIM et sécurité

• La SIM est une carte à puce, capable de stocker des données, et de faire des calculs

• Possède un compteur interne et un premier niveau de protection, le PIN

• La carte SIM et la base de donnée d’abonnés du réseau d’origine (HLR) partagent un algorithme de cryptage secret Ki

• Cette clé n’est jamais transmise par radio (AuC), et il est « impossible » d’y accéder dans la SIM

Authentification de l’abonnée

• Algorithme A3 pour l’authentification• Algorithme A8 pour le chiffrement (génération de la clé Kc à partir

de Ki)

HLR/AUC

Nombre aléatoire

= ? Accepté

IMSI : Ki

Refusé

La station de base (BTS)

• Elle permet le dialogue avec le mobile sur l’interface Air:

– Contrôle de la couche physique: transmission de la parole, transmission discontinue, ordres de contrôle de puissance et de handovers

– Mesures des interférences sur les canaux non alloués à des communications (idle channels)

– Mesures sur la liaison montante (uplink), servant à l'algorithme de décision du handover

– Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation temporelle, selon la distance qui sépare la BTS du mobile

– Détection des demandes d'accès des mobiles reçus sur le canal de contrôle commun (RACH)

– Détection des messages de handover access (HO ACCESS)

La station de base (BTS)

Liaison MS/BTS (interface Air)

124321 … 124321 …

Uplink Downlink

890 MHz 915 MHz 935 MHz 960 MHz

200 kHz

Liaison MS/BTS (interface Air)

• Bande/Opérateur

63 124 63 124

Uplink Downlink

621 1 62

Uplink Downlink

Contrôle de puissance

• Il existe 5 classes de mobiles selon leur puissance d’émission: 20, 8, 5, 2 et 0.8 W

• Au lieu d’émettre à leur puissance max, le mécanisme de contrôle de puissance permet au mobile et à la station de base de transmettre à la puissance juste nécessaire pour avoir une bonne qualité de la communication

Ce mécanisme permet aussi de minimiser le niveau des interférences et économiser la charge des mobiles

• Comment? : la BTS mesure les niveaux et qualités uplink et downlink (fournis par le mobile sur le measurement report) et décide en conséquence de réduire les puissances d’émission (en uplink ou en downlink) d’un pas de 2 dBm jusqu’à un minimum de 13 dBm (20 mW)

• Pb: l’instabilité du canal de communication peut causer la rupture de la communication pour un mobile émettant à sa puissance min. Ainsi, le mécanisme d’augmentation de puissance doit être plus rapide (un pas plus important) que celui de réduction

Les canaux

• Canaux physique ( 1 canal physique = 1 fréquence+ 1 time slot)

• 1 canal physique supporte plusieurs canaux logiques:– Canaux de trafic

– Canaux de contrôle

Les canaux

0 1 2 3 4 5 6 7

BCCH: Broadcast Control CHannel

SDCCH: Standalone Dedicated Control CHannel

TCH: Traffic CHannel

Timing Advance

Résolution: 1 bit = 3.7 s = 2 x 550 m

0 1 2 3 4 5 6 7

Max 2 x 35 km = 233 s = 64 bit

Transmission discontinue DTX

• Les statistiques montrent qu’une personne ne parle qu’entre 40 et 50% du temps pendant une communication

Suspendre l’émission lors des périodes de silence:- Améliorer la qualité (moins d’interférences)- Augmenter l’autonomie des batteries…

• Technique assurée principalement par deux fonctionnalités:

- VAD (Voice Activity Detection)

- Confort noise

Saut de Fréquence

• Moyenner les interférences• Moyenner les effets d’atténuation

Location Update

• LA: Partie du MSC service area dans laquelle le mobile peut se déplacer librement sans mise à jour de localisation

• Lors d’un appel, le message de paging (PCH) est diffusé uniquement dans la LA sur laquelle le mobile est «enregistré» la dernière fois

• Une LA est identifiée par son LAI

• Une LA peut contenir plusieurs cellules et plusieurs BSC

• Mais une LA ne peut appartenir qu’à un seul MSC

Handover et Roaming

• Handover

– Mécanisme permettant le transfert automatique d’un appel en cours d’une cellule vers une autre, sans perturber la communication.

• Roaming

– Mécanisme permettant d’offrir les mêmes services de télécommunications mobiles à des clients (roamers) abonnés à d’autres réseaux ou dans d’autres pays.

Full rate vs Half rate

• Full Rate– Chaque mobile occupe un TS sur

chaque trame – TX slot et RX slot espacés de 3

slots (simplification des circuits)• Half Rate

– Chaque mobile occupe un TS sur chaque 2 trames

– TX slot et RX slot espacés de 3 slots

« doubler » la capacité Réduit le nombre de BTS par BSC

Le contrôleur de BTS (BSC)

• Il assure le contrôle de plusieurs BTS. C’est la partie « intelligente » du BSS qui gère les ressources radio:

– Allocation des fréquences– Gestion de la configuration des canaux– Contrôle des puissances– Traitement des mesures et décision des handovers

intra BSC– Commutations

Le contrôleur de BTS (BSC)

Clock Generation and Distribution

Ater muxInterface

Abis Interface

X25 connection

Switch

Mux/Demux

Crossconnect

Transmission O&M Supervision (TSC)

Ater TerminationAbis Termination

Common Processing

CPR’s

BCLABCLA

Duplicated System clock signal distributed to boards

Liaison BTS/BSC (interface Abis)

• Organes de commande des émetteurs-récepteurs (Transceiver Command Unit)

• Servent à commander le protocole (LAPD) sur l’interface Abis

• Il y a autant de TCU dans le BSC que de TRX dans les BTS

• Organe de transmission vers les équipements de transcodage

• Sert à commander l’interface A

• Il y a autant de DTC que de liaisons MIC à l’interface A

• Transcoder Rate Adaptor Unit (ou TC)

• Équipement pouvant être installé sur le site MSC ou BSC

• Assure le transcodage entre les canaux GSM codés à 13 Kb/s et les canaux MIC standard (64 Kb/s)

Le MSC

• C’est la partie centrale du NSS

• Il prend en charge la l’établissement des communications de et vers les abonnés GSM

• En plus de la commutation, il gère la mobilité et les fréquences et enregistre la localisation des abonnés visiteurs (VLR)

Le VLR

• Le MSC est en général couplé avec le VLR (Visitor Location Register), ou enregistreur de localisation visiteur. C'est une base de données qui mémorise les informations aux abonnés présents dans la zone géographique du MSC. Plusieurs MSC peuvent être reliés au même VLR, mais en général, il y en a un seul par VLR.

• Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR, mais concernent seulement les abonnés mobiles présents dans la zone considérée. Vient se rajouter l'identité temporaire TMSI. Le VLR a une information de localisation plus précise que le HLR.

• Pour des raisons de simplicité de dialogues, le VLR est généralement associé physiquement au MSC

Le HLR ou enregistreur de localisation nominale est la base de données qui gère les abonnés d'un opérateur donné. Il mémorise les caractéristiques suivantes:

• l'identité internationale de l'abonné utilisée par le réseau (IMSI): on peut obtenir ce numéro en composant sur le clavier d'un portable *#06#,

• le numéro d'annuaire de l'abonné (MSISDN ou numéro d'appel),

• le profil de l'abonnement (services supplémentaires autorisés, autorisation d'appel international…).

Ces données sont saisies par l'opérateur à partir de son système d'administration.

• Le HLR, comme base de données de localisation, mémorise pour chaque abonné le numéro du VLR où il est enregistré, même dans le cas où l'abonné se connecte sur un opérateur étranger (cas des roamers). Cette localisation est effectuée à partir des informations émises par le terminal et reçue par les BTS à travers le réseau.

• Le centre d'authentification AuC, Authentification Center, mémorise pour chaque abonné une clé secrète utilisée pour authentifier les demandes de services et pour chiffrer les communications (ki)

• Un AuC est en général associé à chaque HLR. L'ensemble peut être intégré dans un même équipement. Cependant, du point de vue fonctionnel, ils ne font pas partie du même sous-système.

• Durant l’appel, le VLR demande au mobile son IMEI (International Mobile Equipement Indentity)

• L’IMEI est envoyé au EIR (Equipement Identity Register)

• L’EIR contient trois liste:– Liste blanche: mobiles approuvés, non suspectés– Liste grise: mobiles approuvés, mais suspectés– Liste noire: mobiles non approuvés (volés, non

homologués…)

• Contrôle de performance: observation de trafic, de la qualité

• Administration

• Gestion de la sécurité

• Maintenance (tests)

Différentes fonctions d’un MS

Deux états du mobile:

– Eteint (détaché) – Allumé (attaché)

• Idle mode (mode en veille)• Dedicated mode (mode dédié)

Mode en veille

1. Changement de cellule dans le même LAC

2. LU Normal

3. IMSI detach

4. LU IMSI attach

5. LU Periodic registration

6. Implicit detach

Location Update

1. Le MS écoute la BCCH

2. Etablissement d’une connexion

3. Demande de LU et enregistrement dans le VLR (et HLR si besoin)

4. Confirmation du LU

IMSI detach

Mode dédiée

1. Appel sortant

2. Appel entrant

3. HO intra BSC

4. HO inter BSC (intra MSC)

5. HO inter MSC

Appel sortant

1. Le MS utilise le RACH pour avoir un SDCCH2. Le BSC fourni un SDCCH au MS3. Le MS envoie un CSR (Call Setup Request) via le SDCCH4. Le MSC demande au BSC d’allouer un slot TCH au MS5. Le MSC route ensuite la communication vers le numéro appelé

Appel entrant

1. L’appel est routé vers GMSC2. Le GMSC analyse le numéro et

détermine le HLR dans lequel il est enregistré

3. HLR détermine quel MSC/VLR area se trouve le MS (et vérifie le renvoi d’appel)

4. HLR demande un MSRN (Mobile Station Roaming Number) pour identifier MSC/VLR

5. MSC/VLR retourne le MSRN au GMSC (via le HLR)

6. GMSC re route l’appel vers le MSC/VLR7. Un message de paging est envoyé aux

BSC contrôlant le LA servant le MS8. Le message de paging est routé vers les

BTS9. Une fois le MS reçois le message de

paging, il demande un canal SDCCH10. Le BSC fournie un SDCCH au MS11. Le SDCCH est utilisé pour la mise en

place de la communication proprement dite

HO: mesures reportées

BTS measures:

HO intra BSC

1. Le BSC ordonne à la BTS target de réserver un TCH

2. Le BSC envoie au MS via la BTS source la nouvelle fréquence ainsi que le TS et la puissance d’émission

3. Le MS envoie sur la nouvelle fréquence et le nouveau TS une séquence de HO Access Bursts et attend de recevoir le TA de la BTS target

4. Le MS envoie un message de HO complete au BSC

5. Le BSC ordonne la BTS source de libérer les ressources qui étaient allouées au MS

Short Message Service (SMS)

1. Établissement d’une liaison (réservation d’un canal SDCCH)

2. Le MS envoie le message au SMS-C via le MSC/VLR et le SMS-C assure le transfert à destination

Mobile originated SMS

Short Message Service (SMS)

1. Le SMS-C reçois un message2. Le SMS-C renvoie le message au SMS-GMSC 3. Le SMS-GMSC interroge le HLR pour avoir des informations de routing4. Le HLR retourne ces info5. Le SMS-GMSC renvoie le message au MSC/VLR6. Envoie de message de Paging…7. Envoie du message sur le SDCCH8. Delivery report or failure report

Mobile terminated SMS

Dimensionnement d’un réseau GSM

• Input:– Nombre d’abonnés par zone (estimé par le

biais d’études marketing)– Consommation/abonné – Taux de congestion (GoS)

• Output: – Nombre d’équipements nécessaires– Types d’équipements nécessaires

Dimensionnement d’un réseau GSM

• Exemple:

– 1000 abonnés– 20 mE/Abonné (1 E = occupation

d’une ressource 60 mn / heure)– GoS = 2% (valeur typique)

Total de 20 ErlangTable d’Erlang: 27.8 ressources

nécessaires (slots TCH)4 TRX

Supervision du réseau

• OMC• Drive tests

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