Architectures desréseaux mobiles
André-Luc BEYLOTENSEEIHT
Département Télécommunications et Réseaux
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PLAN GENERALn Introduction
n Architecture Protocolaire du GSM
n GPRS
n UMTS
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Introductionn Réseaux de mobiles : Un monde très orienté « Télécoms »
u Téléphonie : suprématie du GSM (Global System for Mobile communications)u Intégration voix/données nécessaire : GPRS (General Packet Radio System)u Débit supérieur, multimédia : UMTS (Universal Mobile Telecom. System)
n Réseaux Privés sans fil : 1 évolution pour les réseaux locauxu Réseaux personnels : Bluetoothu Réseaux locaux sans fil : IEEE 802.11
n Diffusionu Boucle locale radiou DVB, satellites
n Internetu IP-mobile, IP cellulaire et MANET (Mobile Ad-hoc NETworks)
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Réseaux de Mobiles et Réseauxsans fil
n Réseaux de mobilesu Un utilisateur mobile = capable de communiquer à l ’extérieur
de son réseau d’origine en conservant son adresseu Pbs de compatibilité de signalisationu Exemples :
F GSM :• Mobilité autorisée au sein de réseaux utilisant le GSM• Utilisation de la HLR et de la VLR
F IP-mobilen Réseaux sans fil : lié au support de transmission
u Système de communications sans prise muraleu Utilisation du support hertzienu Exemples : téléphone sans cordon de résidence
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Réseaux cellulairesn Atténuation du signal => concept cellulairen Augmentation du nombre d ’utilisateurs
u Cellules de plus en plus petitesu Micro-cellules et antennes petites faible puissance d’émission
Zone de Localisation
Sous-Réseau
Zone de Localisation
Zone de Localisation
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Caractéristiques desréseaux de mobiles
n Méthodes d ’accès au support : FDMA, TDMA, CDMA
n L’allocation des ressources : FCA, DCA, HCA
n La sécurité : authentification, cryptage des données
n Le transfert intercellulaire : Handover ou Handoffn Le pagingn Le contrôle de puissancen Le dimensionnement
u probabilité de blocageu probabilité de coupure
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Fonctions du Réseau Cellulairen Gestion de la mobilité (Mobility Management)
u HLR (Home Location Register) : 1 par réseau d’abonnementu VLR (Visitor Location Register) : 1 par zone d’enregistrementu Compromis : Enregistrement/Paging
n Gestion des Appels (Call Management)u Mise en place, fermeture des connexionsu C ’est de la signalisation : typiquement SS7
n Gestion des Ressources Radio (Radio Resource Management)u Choix de la fréquence porteuse la plus forteu Contrôle de puissance
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Schémas d’architectures desréseaux de mobiles
Carte à puce
User IdentityModule (UIM)
Terminal Mobile
Mobile Terminal(MT)
InterfaceUIM-MT
Antenne Terrestre
Radio Access Network(RAN)
Commutateur
Core Network(CN)
Commutateur
Core Network(CN)
InterfaceMT-RAN
InterfaceRAN-CN
InterfaceCN-CN
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Architecture Simplifiée du GSM
......
Base Station SystemMobile Station
Base Station Controller
Mobile-serviceSwitching Center
Interface air
A bisA
PSPS
VLR
PS
VLR
PS
HLR
PS
RTC
G B C
D
Signalisation
Local Exchange(commutateur de raccordement)
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PRINCIPAUX PROTOCOLES DU GSM
physique
LAPDm
......
BSSAP : Base Station Subsytem Application PartSCCP : Signalling Connection Control Part
MTP : Message Transfer Part (protocoles du SS7)
physique MTP1
LAPD MTP2
MTP3
RR
MM
CM
SCCP
BSSAP
BTS BSC MSCMT
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Interface Air - Couche 1n Différents canaux logiques
Broadcast Channel(BCH)
unidirectionnelen diffusion
Frequency Correction Channel (FCCH) ↓
Synchronization Channel (SCH) ↓
Broadcast Control Channel (BCCH) ↓
Calage Fréquence Porteuse
Synchro + Identification
Information Système
Common Control Channel (CCCH)
↓↑accès partagé
Paging Channel (PCH) ↓ Appel du Mobile
Random Access Channel (RACH) ↑ Accès aléatoire du mobile
Access Grant Channel (AGCH) ↓ Allocation de Ressources
Cell Broadcast Channel (CBCH) ↓ Messages courts diffusés
Dedicated Control Channel (DCCH)
Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH) ↑↓ Signalisation
Slow Associated Control Channel (SACCH) ↓↑ Supervision de la liaison
Fast Associated Control Channel (FACCH) ↓↑ Exécution du Handover
Traffic Channel (TCH)
Traffic Channel for coded speech (TCH/FS) (TCH/HS) ↑↓
Voix plein/demi débit
Traffic Channel for data ↑↓ Données utilisateur
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Interface Air - Couche 1
Hypertrame = 2048 supertrames
Supertrame = 51 multi-trames de trafic = 26 multi-trames de contrôle
Multi-trame de Trafic = 26 Trames
Multitrame de contrôle = 51 trames
Trame = 8 slots
Slot = 156.25 bits
Bit = 3.69 µs
577µs
4.615 ms
235.4 ms120 ms
6.12 s
3 h 25 m 53.76 s
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Interface Air - Couche 2n Canaux de trafic : rienn Canaux de signalisation :
u DCCH : LAPDmu BCH - BCCH (contrôle de la qualité et synchronisation) : rienu CCCH + BCCH : transparent (message de niveau 3 mis dans
des trames sans en-tête ni acquittementn LAPDm : version mobile du LAPD utilisé dans le RNIS-BE
u Pas de fanionu Longueur fixe : 23 octets sur SDCCH et FACCH, 21 sur
SACCH
Adresse Commande Longueur Information Bourrage
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LAPDmn SAPI = 3 bits
u En fait seuls 0 et 3 sont utilisés : 0 sig, 3 SMSn Champ de commande
u cf. LAPB : SABM, pas de SREJn Champ de longueur (bit M: fragmentation)n Procédures de dialogue
u Mode sans connexion : trames UI sans acquittementu Mode avec connexion : SABM/UA ; fenêtre de taille 1u Multiplexage : SAPI (attention canaux dédiés)u Pour SMS : SAPI 3, messages confirmés (mode connecté)
F usager en communication : SACCH associé, sinon SDCCHu SDCCH et FACCH utilisé pour des messages de sig => cnxu SACCH (SAPI 0) : utilisé pour des mesures => pas de cnx
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Couche 3 sur l’interface radion Comporte 3 sous-couches : RR, MM et CMn CM redivisée en CC (Call Control), SS(Supplementary
Services), SMS (Short Messages)n Pas de processus d’encapsulation entre les couchesn Format de messages commun pour les sous-couches
n Identificateur de transaction : éventuellement plusieurscommunications avec mise en attente
n Discriminateur de protocole : Sous-couche à laquelle il serapporte
Identificateur de transaction
Identificateur de transaction
type de message
Champsobligatoires
de longueur fixe
Champsobligatoires
de longueur variable
Champsoptionnels
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Couche 3 sur l’interface radion Couche RR :
u Gère la connexion radiou Etablissement d’un canal dédié + rétablissement en cas de
handoveru Etablie entre MS et BSC
n Couche MM :u Gestion de la mobilité (échange MS et réseau - localisation)u Sécuritéu Connexions MM : pas de message spécifique. Considérée
comme établie lors de l’envoi de messages de CM, SMSn Couche CM :
u Assez proche des fonctionnalités offertes dans les réseauxfixes (CC, SS)
u Seuls les SMS sont spécifiques
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Interface Abis (BTS-BSC)
n Débit = 16 ou 64 Kbit/sn Au niveau 2 (canaux D) : protocole LAP-D
u Messages de sig des niveaux supérieursu Messages de supervision et de maintenance de la BTSu Messages internes de gestion de la liaison de données BTS-BSCu Différents SAPI dans l ’adresse des tramesu 1 TRX (Transmitter/Receiver Module) gère une fréquence
F adresses TEI différentes pour les TRX ;F numéro de slot - message de niveau 3
Canaux de sig ~ Canaux D du RNIS
Canaux de trafic ~ Canaux B du RNIS
TCH
SDCCHSACCHBCCH
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Interface Abis - niveau 3
n Messages transparents : BSC <-> MSu discriminateur, type de message, numéro de slot, canal
logique, SAPI (0 ou 3) + messagen Messages non transparents : Gestion de la BTS
PHY
LAPDm
RR
PHY
LAPDm LAPD
PHY
CM
MM
RR’distribution
BTSMMessage
transparent
Interface radio Interface Abis
LAPD
PHY
distribution
BTSMMessage
transparent
Couches Supérieures
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Interface A
n Interface BSC - MSCn Repose sur le SS7 :
u 3 couches bassesu SSCS (sous-système de commande des connexions
sémaphores) ou SSCP (Signalling Connection Control Part)u BSSAP : Base Station Subsystem Application Part
F BSSMAP (BSS Management Part)• Message de gestion d’un BSC ex: ressources disponibles ? (SSCP
sans connexion - classe 0)• Messages liés à un canal dédié - handover, allocation, libération
(SSCP avec connexion - classe 2)F DTAP : messages de sig transitant par le BSC (transparent)
• utilise SSCP avec connexionF Discrimination : en-tête des messages BSSAP (distribution)
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Interface A
PHY
LAPDm
RR
CM
MM
Interface radio
Interface Abis
LAPD
PHY
Interface A
RR+
BTSM
MTP1
MTP2
MTP3
SSCP
distribution
BSSMAPDTAP
BSSAP
MTP1
MTP2
MTP3
SSCP
distribution
BSSMAPDTAP
BSSAP
CM
MM
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Exemple :Allocation canal signalisation
......
BTS-A BSCMT MSC
RR - Channel Request
RACHBTSM - Channel Required
BTSM - Channel Activation
BTSM - Channel Activation ACK
BTSM - Immediate Assignment CommandRR - Immediate Assignment
AGCH
SABM[MM CM_SERVICE REQUEST]
SDCCH BTSM - Establish Indication[MM CM_SERVICE REQUEST]
SCCP CONNECTION REQUEST - [BSSMAP COMPLETE Layer3INFO
[MM CM_SERVICE REQUEST]]
SCCP CONNECTION CONFIRMUA[MM CM_SERVICE REQUEST]
SDCCH
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Exemple :Signalisation « paging »
......
BTS-A BSCMT BTS-BRR - Paging Command RR - Paging Command
RR - Paging Request
PCH
RR - Paging Req
PCH
RR - Channel Request
RACH BTSM - Channel Required
BTSM - Channel Activation
BTSM - Channel Activation ACK
BTSM - Immediate Assignment Command
RR - Immediate Assignement
AGCHSABM[RR Paging Response]
SDCCH
BTSM - Establish Indication[RR Paging Response]
UA[RR Paging Response]
SDCCH
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Exemple : Appel Sortant......
BTS-AMT MSC/VLREtablissement du canal dédié
BSSMAP CIPHER Mode Command
MM Authentication Request
MM CM_Service Request
BSSMAP Cipher Mode Complete
COMPLETE Layer3INFO [MM CM_Service Request]
ISUP IAM
CC Set Up (num demandé)
CA
MM Authentication Response
RR Ciphering Mode Command
RR Ciphering Mode Complete
CC Call Proceeding
BSSMAP Assignment RequestRR Assignment Request
RR Assignment CompleteBSSMAP Assignment Complete ISUP ACM
CC Alerting
CC ConnectISUP ANM
CC Connect Acknowledge
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Exemple : Appel Entrant......
BTS-AMT MSC/VLRISUP IAM (MISDN)
CA
CC Setup
MAP_send_routing_info
HLR GMSC
MAP_provide_roaming_number
MAP_provide_roaming_number.ack
MAP_send_routing_info ack
ISUP IAM (MSRN)Paging
Authentification + Passage en mode crypté
CC Call Confirmed
BSSMAP Assignment RequestRR Assignment CommandRR Assignment Complete
BSSMAP Assignment Complete
CC AlertingISUP ACM
ISUP ACMCC ConnectISUP ANM
ISUP ANM
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Exemple :Handover intra-BSC
......
BTS-AMT BSC
RR Handover Command
RR Measurement ReportBTS-B
......
MT
SACCHRR Measurement Report
SACCH
BTSM Measurement Result
BTSM Measurement ResultBTSM Channel Activation
BTSM Channel Activation ACK
FACCHRR Handover Access
Access burst sur TCHRR Handover Access
Access burst sur TCHBTSM Handover DetectionRR Physical Info
UI - FACCHRR Physical Info
UI - FACCH
SABM - FACCH
UA - FACCHRR Handover Complete
FACCHBTSM RF Channel Release
BTSM RF Channel Release ack
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Exemple :Mise à jour localisation
......
BTSMT MSC/VLR2
MM Authentication Request
MM Location Updated Request (TMSI,LAI)
HLR VLR1
BSSMAP Complete Layer 3 info
[Location Update Request]
MAP insert subscriber data
MAP insert subscriber data ack
MAP Send Identification ack (IMSI, Rand, Sres, Kc)
MAP Update Location
Etablissement d’1 canal dédié
MAP Send Identification (TMSI)
MM Authentication Response
MAP Cancel Location
MAP Cancel Location ack
MAP update location ackPassage en mode crypté
MM TMSI Reallocation Command
MM TMSI Reallocation complete
MM Location Update Accept
Libération connexions et ressources
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Architecture Protocolaire SMS
PHY
LAPDm
RR
CM
MM
MTP1-3
SSCP
BSSAP
CM
MM
......
MT MSC/VLR SC SMESMS-GMSCSMS-IWMSC
SM-RP
SM-TL
SM-AL
SSCP
MTP1-3
TCAP
SM-RP
MAP
SSCP
MTP1-3
TCAP
MAP
SM-TL
SME : Short Message Entity
SM-CP
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Transfert d’1 SMSdepuis 1 mobile
......
BTSMT MSC/VLR HLR SMS-IWMSC
SMS CP-data [RP-data]
MAP Forward Short Message
Etablissement d’1 canal dédié
MAP Forward Short Message ackSMS CP-data [RP-ack]
SC
Authentification et passage en mode crypté
Envoi du Message
acquittement
SMS CP-ack
SMS CP-ack
Libération
29
Transfert d’1 SMSvers 1 mobile
......
BTSMT MSC/VLR HLR SMS-GMSC
MAP Forward Short Message
SMS CP-data [RP-data]
SC
Transfert de Message
SMS CP-ack
Paging et réponse
MAP send routing info for SM
MAP send routing info for SM ack
Authentification et chiffrement
SMS CP-data [RP-ack]
SMS CP-ackMAP Forward Short Message ack
libération
Compte-rendu d’expédition MAP rapport délivrance
MAP rapport délivrance ack
30
Transmission d’1 SMSsur SDCCH
......
BTSMT BSC
Allocation canal dédié
Authentification et chiffrement
MSCRR Channel Request Channel Required
SABM[CM Request Service] Establish Indication [CM Service Request]SCCP Connection Request [CM Service Request]
UA[CM Request Service]
SDCCH
SDCCH
SDCCH
SABM[SAPI=3]SDCCH
Establish Indication [SAPI=3]
UA[SAPI=3]SDCCH
SMS CP-DATA + ACK
SDCCH Clear CommandRR Channel Release
SDCCH Deactivate SACCHDISC[SAPI=0]
SDCCH Release IndicationUA[SAPI=0]
SDCCH RF Channel Release
RF Channel Release Ack Clear Complete