Système GSM

Système de Communication Radio Mobile
GSM
Global System for Mobile
Communications
GSM
Pr. Jamal EL ABBADI
GEE / EMI / 2022-2023
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
1
Contenu du cours
Introduction au système GSM
1. Architecture du système GSM
2. Numérotation et Identification
3. Interfaces terrestres
4. Interface radio Um
5. Fonctionnement du réseau
6. Procédures du handover
7. Service SMS
8. Dimensionnement des interfaces du réseau
9. Service de données GPRS et EDGE
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Réseaux GSM
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1
Système de Communication Radio Mobile
GSM
INTRODUCTION AU SYSTÈME GSM
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Réseaux GSM
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Evolution des réseaux de mobiles
Génération
Débit de
l’interface radio
Exemples de réseaux
1G
<9Kbps
AMPS, NMT, TACS
2G
9.6-30 Kbps
GSM, CDMA, TDMA, PDC
2.5G
20-130 Kbps
GPRS, HSCSD, EDGE, CDMA 2000 1xRTT
3G
300-600 Kbps
WCDMA, CDMA 2000 1xEV-DO
3.5G
3.1-73.5 Mbps
HSDPA, HSUPA, UMTS TDD –TD-CDMA, CDMA 2000 EV-DO
Rev A, EV-DO Rev B
3.9G
100-200 Mbps
3GPP LTE, 3GPP2 UMB
4G
100-1000 Mbps
Normes LTE+ Débit à atteindre 1Gbps
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2
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Introduction
• A l'origine, l'avènement du G.S.M fut rendu possible par la
décision de la C.E.P.T (Conférence Européenne des Postes et
Télécommunications) qui définit en 1982 des bandes de
fréquences communes à l'Europe entière, dans la bande des
900 Mhz.
• La même année, la C.E.P.T crée en son sein un groupe de
travail baptisé «Groupe Spécial Mobiles» (G.S.M) et lui confie
la tâche d'élaborer les spécifications nécessaires à
l'établissement d'un réseau européen de téléphonie mobile.
• En 1988, une charte Européenne du G.S.M est ratifiée par 17
pays européens. Chacun de ses signataires s'engagent à
introduire un système cellulaire numérique respectant les
normes imposées par le G.S.M
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Réseaux GSM
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Introduction
• Le Groupe GSM s'engage également à ouvrir un service
commercial en juillet 1991. C'est à cette époque qu'a lieu
en France la première communication entre un mobile
G.S.M et un téléphone fixe.
• En 1992, le G.S.M est rebaptisé «Global System for Mobile
communication», un changement de nom qui symbolise le
passage du concept du laboratoire à une norme concrète.
• C'est en juillet 1992 que France Telecom Mobiles
commercialise Itineris, le premier réseau G.S.M en France.
• G.S.M est la première norme de téléphonie cellulaire qui
soit pleinement numérique. C'est la référence mondiale en
matière de téléphonie mobile.
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3
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Motivations de GSM
• Liaison Radio Numérique. le système est entièrement
numérique, depuis le mobile jusqu'au PSTN (Réseau
Téléphonique Public Commuté).
• Compatibilité RNIS. le téléphone MS fournira jusqu'à 9,6
Kbps
• Utilisation d'interfaces ouvertes standard (C7, X.25
etc.): Grâce à l'utilisation d'interfaces et de protocoles
standard CCITT, les planificateurs de système peuvent
sélectionner des fabricants différents
• Sécurité et Confidentialité Améliorées: Grâce au
cryptage des signaux de signalisation et de commande et
grâce
également
à
des
techniques
élaborées
d'authentification d'abonnés
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Réseaux GSM
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Chapitre 1
ARCHITECTURE DU SYSTÈME GSM
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Architecture générique d’un réseau cellulaire
• Radio Access Network (RAN) :
– Point d’accès au réseau
– Gestion de l’interface air
• Core Network (CN) :
– Réseau fixe assurant l’interconnexion avec les autres
réseaux
Réseaux téléphoniques
Commutés
RAN
Réseaux cellulaires
d’autres opérateurs
CN
Réseaux de données
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Architecture générale d’un réseau GSM
NMC
Radio Access Network
Core Network
BSS: Base Station Subsystem
BTS: Base Transceiver Station
BSC: Base Station Controller
MS:Mobile Station
NSS: Network SubSystem
MSC: Mobile services Switched
Center
VLR: Visitor Location Register
HLR: Home Location Register
AUC: Authentification Center
EIR: Equipment Identity Register
OMC: Operation and maintenance Center
PSTN: Public Switched Telephone Network
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PLMN
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GSM
Le Sous Système Radio BSS (Base Station Subsystem)
• Gestion de l’accès au réseau via l’interface air
Base Station Subsystem
Network
SubSystem
BTS: Base Transceiver
Station
MSC
(contrôleur)
MS: Mobile
Station
BSC: Base Station
Controller
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Station Mobile
• Une Station Mobile MS comprend un Équipement Mobile
(ME) et une carte électronique à puce appelée Module
d'identité d'Abonné(SIM).
• Chaque équipement mobile (ME) est identifié par un
numéro IMEI (Identité d'Équipement de la Station Mobile
Internationale) qui est mémorisé en permanence dans
l'unité mobile.
+
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Classes de Puissance des MS
Classe
Puissance Max
Tolérance
Normal (dB)
Conditions
Extrêmes
1
20W (43 dBm)
±2
±2.5
2
8W (39 dBm)
±2
±2.5
3
5W (37 dBm)
±2
±2.5
4
2W (33 dBm)
±2
±2.5
5
0.8W (29 dBm)
±2
±2.5
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BTS (Base Transceiver Station)
• Prend en charge la transmission radio :
– Modulation, démodulation, égalisation, codage
correcteur d’erreurs).
• Gère toute la couche physique :
– Multiplexage TDMA, chiffrement, sauts de fréquences…
• Réalise l’ensemble des mesures radio nécessaires pour
vérifier qu’une communication se déroule normalement.
• Gère la couche liaison de données pour l’échange de
signalisation entre les mobiles et l’infrastructure réseau.
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GSM
BTS (Base Transceiver Station)
• Regroupement des
équipements fixe du réseau
d’émission-réception
• Antennes de plusieurs
cellules (e.g. 3 cellules)
• Interconnexion avec les
autres équipements du
réseau par Liaisons
Spécialisées ou Faisceaux
Hertziens
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Puissance d ’émission
• Cinq Classes de puissance pour le GSM
– Classe 1 : 20 W (inutilisée)
– Classe 2 : 8 W
– Classe 3 : 5 W
– Classe 4 : 2 W
– Classe 5 : 0,8 W
15 pas de puissance de 2 dB numérotés de 0 (43 dBm) à 15 (13 dBm)
• Deux classes de puissance pour le DCS1800
– Classe 1 : 1 W
– Classe 2 : 0,25 W
13 pas de puissance numérotés de 0 (30 dBm) à 13 (4 dBm)
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GSM
Sensibilité
• GSM
–Mobiles
–Stations de base
-104 dBm
-104 dBm
• DCS1800
–Mobiles
–Stations de base
-100 dBm
-104 dBm
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Réception
• Performance en C/I
–réjection co-canal (C/I > 9 dB)
–réjection canal adjacent (C/I > -9 dB 1er adjacent 41dB pour le 2nd adjacent)
• Blocage
–en présence de signaux forts non GSM (blocking)
–en présence de signaux GSM proches du signal utile
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Contrôle de puissance -Mobile
• Le réseau contrôle la puissance d'émission des mobiles à
l'aide d'algorithmes basés sur les mesures RXLEV, RXQUAL
• Intérêt :
–Augmentation de l'autonomie des mobiles.
–Réduction des brouillages sur le sens montant.
–Mise en œuvre dans un réseau : décision de l'opérateur
mobile.
• Pour les mobiles 8 W : 13 pas de puissance espacés de 2 dB
• Pour les mobiles 2 W : 10 pas de puissance espacés de 2 dB.
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Configuration des antennes sur les BTS
• Configuration équi-directive :
– Rayonnement identique dans toutes les directions
• Configuration sectorielle :
– Rayonnement dirigé dans une zone donnée.
– Secteurs de 120°.
– Secteurs de 60°.
• Diversité.
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GSM
Motifs de réutilisation des fréquences
• Les motifs les plus utilisés en GSM sont les suivants :
– 7 cellules
– 4 cellules
• Pour chaque cellule, on peut avoir :
– 1 secteur de 360°
– 3 secteurs de 120°
– 3 secteurs de 60°
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Motifs à 7 cellules
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Motifs à 4 cellules
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La sectorisation
• Forte densité des abonnés.
• Développement du réseau en terme de capacité :
– Infrastructure existante (BTS et interconnexion)
– Coûts minimisés
– Planification du réseau :
• Réserve de canaux
• Prévision du trafic
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Le sous système radio BSS
le contrôleur de station de base (BSC)
• BSC (Base Station Controller) pilote un ensemble de stations
de base (typiquement ~60)
• C’est un carrefour de communication:
– concentrateur de BTS
– aiguillage vers BTS destinataire
• Gestion des ressources radio: affectation des fréquences,
contrôle de puissance…
• Gestion des appels: établissement, supervision, libération des
communications, etc.
• Gestion des transferts intercellulaires (handover)
Mission d’exploitation
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Le sous système réseau NSS (Network SubSystem)
Sous système
radio
BSC
Sous système réseau
MSC: Mobile Switching
Center
VLR: Visitor
Location Register
HLR: Home Location
Register
BSC
AUC: Authentification Center
Réseau
téléphonique
Commuté (RTC)
EIR: Equipment Id.
Register
MSC distant
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VLR
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GSM
Le sous système réseau: le MSC
• MSC (Mobile Switching Center) commutateur numérique
en mode circuit:
– Oriente les signaux vers les BSC
– Établi la communication en s’appuyant sur les BD
• Assure l’interconnexion avec les réseaux téléphoniques
fixes (RTC, RNIS), les réseaux de données ou les autres
PLMN
• Assure la cohésion des BD du réseau (HLR, VLR)
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Le sous système réseau: le MSC
• Participe à la gestion de la mobilité et à la fourniture des
téléservices
• Fournit trois types de services:
– services
de
support
(transmission
données,
commutation…)
– télé services (téléphonie, télécopie…)
– compléments de services (renvoi/restriction d’appels…)
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Questions
1. Citer trois caractéristiques fondamentales du GSM ?
2. Quels sont les sous-systèmes constituants un réseau
GSM ?
3. De quoi est-il constitué un sous-système réseau ?
4. Donner brièvement le rôle joué par une BTS dans un
réseau GSM ?
5. Quel est l’intérêt du contrôle de puissance coté mobile ?
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Le sous système réseau: le HLR
• HLR (Home Location Register): base de données contenant
les informations relatives aux abonnés
– données statiques: IMSI, no d’appel, type abonnement…
– données dynamiques: localisation, état du terminal…
• Un HLR logique par PLMN. En pratique, plusieurs bases de
données redondantes
• Le HLR sert de référence pour tout le réseau
• Dialogue permanent entre le HLR et les VLR
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GSM
Le sous système réseau: le VLR
• VLR (Visitor Location Register) : base de données locale
En général, un VLR par commutateur MSC
• Contient les informations relatives aux abonnés présents
dans la Location Area (LA) associée.
• Même info que dans HLR + identité temporaire (TMSI) +
localisation
• VLR mis à jour à chaque changement de cellule d’un abonné
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Le sous système réseau: AUC
• AUC (AUthentification Center) contrôle l’identité des
abonnés et assure les fonctions de cryptage.
• Authentification de l’abonné:
Subscriber Identity Module (carte SIM) contient plusieurs
clés secrètes.
• Cryptage des données au niveau du terminal.
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GSM
Le sous système réseau: le EIR
• EIR (Equipment Identity Register) empêche l’accès au
réseau aux terminaux non autorisés (terminaux volés).
• A chaque terminal correspond un numéro d’identification:
le IMEI (International Mobile Equipment Identity).
• A chaque appel, le MSC contacte le EIR et vérifie la validité
du IMEI.
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Centre de maintenance et opérations OMC
• Le centre OMC constitue un point central à partir duquel on
peut contrôler et commander les autres entités du réseau
(station de base, commutateur, base de données).
• A partir du OMC on peut aussi contrôler la qualité du
service fourni par le réseau dans son ensemble.
• Le centre OMC assure le traitement des alarmes de manière
à signaler et enregistrer les alarmes générées par les entités
du réseau.
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GSM
Centre de maintenance et opérations OMC
• Grâce aux fonctions de maintenance, on peut aussi
commander la charge de trafic imposée au réseau en rejetant
les communications au niveau du BSS, lorsque cela est
nécessaire.
• Le centre OMC assure la maîtrise des modifications du
système en ce qui concerne les versions de logiciel et les
bases de données de configuration dans les entités du
réseau.
• le centre OMC peut modifier les bases de données dans les
autres entités.
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Chapitre 2
NUMÉROTATION ET IDENTIFICATION
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GSM
Numérotation des canaux
• ARFCN : Absolute Radio Frequency Channel Number.
• 124 canaux GSM et 374 canaux en DCS (Largeur bande de
200 KHz).
• E-GSM 900 MHz
– FL(n) = 890 + 0.2.n pour 0 ≤ n ≤ 124
– FL(n) = 890 + 0.2.(1024-n) pour 975 ≤ n ≤ 1 023
– FU(n) = FL(n) + 45
• DCS 1 800 MHz
– FL(n) = 1710.2 + 0.2.(n-512) pour 512 ≤ n ≤ 885
– FU(n) = Fl(n) + 95
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Numérotation et identification
• Norme GSM 03.03
• Réseau : MCC, MNC
– MCC (Mobile Country Code) : 3 digits
– MNC (Mobile Network Code) : 2 digits
• Cellule : LAI, BSIC, CGI
• Mobile : IMSI, TMSI, MSISDN, MSRN
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GSM
Zone de localisation
• Identification d’une zone de localisation
• LAI
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Identification d’une BTS
• BSIC : Base Station Identify Code.
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GSM
Identification d’une cellule
• CGI : Cell Global Identification
• CI : 2 octets.
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Identification de l’abonné mobile
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
– L’IMSI est uniquement composé de chiffres de O à 9.
– MCC (Mobile Country Code) : 3 digits.
– MNC (Mobile Network Code) : 2 digits.
– MSIN (Mobile Subscriber Identification Number) max.
10digits.
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GSM
Identification de l’abonné mobile
•
NMSI (National Mobile Subscriber Identity)
– MNC + MSIN
•
L’IMSI est connu uniquement à l’intérieur du réseau GSM,
cette identité doit rester secrète autant que possible
(recours au TMSI).
• Le TMSI (Temporary Subscriber Identification Number )
est alloué temporairement par un VLR lors de la mise à
jour de localisation ou lors de l’inscription du mobile sur le
réseau.
– Il est codé sur 4 octets.
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Identification de l’abonné mobile
• MSISDN (Mobile Station International ISDN Number) :
Numéro de l’abonné.
– Seul identifiant de l’abonné mobile connu à l’extérieur du
réseau GSM.
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Identification de l’abonné mobile
•
MSRN (Mobile Station Roaming Number) est Un numéro PSTN de
roaming (numéro de réacheminement) attribué temporairement à la
MS, utilisé pour router les appels vers un mobile. Le MSRN (numéro de
réacheminement)
•
A la demande d'un GMSC au HLR concerné, un MSRN est alloué
temporairement par le VLR qui possède les dernières informations de
localisation de ce mobile.
•
Un numéro MSRN doit avoir la même structure que les MSISDN relatifs
à une zone de localisation donnée, dans un réseau GSM et dans un pays
donné.
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Réseaux GSM
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Identification du terminal
• L'IMEI est composé des éléments suivants :
– TAC (Type Approval Code) : Il s'agit d'un numéro
indiquant la version de validation du matériel.
– FAC (Final Assembly Code) : Il s'agit du numéro qui
identifie l'usine où a été assemblé le poste.
– SNR (Serial Number) : Il s'agit du numéro de série de
l'appareil dans le TAC et le FAC.
– Spare (en réserve) : Ce chiffre doit être codé à "0" lorsqu'il
est transmis par le mobile.
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Chapitre 3
INTERFACES TERRESTRES
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Réseaux GSM
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Interfaces Terrestres
• les interfaces terrestres comprennent toutes les connexions
entre les entités du système GSM, à l'exception de l'interface
Um ou liaison radio.
• Ces interfaces utilisent ou non un même support, en fonction
de l'opérateur, des coûts et des contraintes géographiques,
etc.
• Les interfaces standard utilisées sont les suivantes:
– Système de Signalisation CCITT N°7 ("C7");
– X.25 (transmission de données par commutation de
paquets);
– G732 2.048 Mb/s 30 voies PCM ("liaison 2 Mb/s")
– GSM "A-bis",
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Interfaces Terrestres
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Interfaces Terrestres
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Réseaux GSM
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
2 Mbps 30 VOIES PCM – CCITT G.732
• Cette liaison permet le trafic depuis le réseau PSTN vers le
centre MSC, entre les MSC, depuis un MSC vers un BSC, et
depuis un BSC vers des BTS éloignés.
• Les liaisons G.732 servent aussi d'interfaces physiques pour
le trafic de données entre le MSC et le IWF
• Chaque interface est une liaison 2.048 Mbps offrant 30
voies64Kbps pour transmettre des signaux vocaux ou des
données sous diverses formes et combinaisons.
• Donc, ces liaisons 2Mbps jouent le rôle de support physique
pour toutes les interfaces utilisées entre les entités du
système GSM.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
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Interfaces X.25
• Grâce à elles, le centre OMC peut communiquer avec toutes
les entités qu'il contrôle et qu'il surveille. Ces connexions
X.25 seront toutes contenues dans des liaisons 2 Mbps, en
utilisant un intervalle de temps spécialisé.
• Les interconnexions X.25 peuvent aussi être acheminées de
manière totalement différente, en fonction des exigences de
conception du système de l'opérateur.
• La connexion X.25, depuis le centre OMC vers le BSS, peut
être prise en charge par un circuit physique complètement
indépendant.
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Système de signalisation C7
• Le code CCITT N°7 - C7 ou SS7- est une signalisation horsbande caractérisée par un débit de transmission de 56 ou 64
Kbps. Il est utilisé pour :
– l'établissement d'appels basiques, leur gestion, et la
libération de la ligne ;
– les services des réseaux mobiles tels que le roaming,
l’authentification d'abonné ;
– les services liés aux numéros spéciaux (numéros verts) ;
– les services complémentaires comme le transfert d’appel,
l’identification de l’appelant, la conférence à trois…
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Chapitre 4
INTERFACES RADIO Um
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Réseaux GSM
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Chaîne de transmission
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
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Voies Physiques
• Chaque salve de données,
occupant son intervalle de
temps affecté à l'intérieur
des trames successives
TDMA, constitue une
seule voie physique GSM
permettant d'acheminer
un nombre variable de
voies logiques, entre le MS
et le BTS.
• le nombre exact et le type
de ces voies logiques
dépend de la nature de
l'activité en cours.
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Voies physiques et logiques
• les systèmes téléphoniques cellulaires analogiques utilisent
une voie de données séparée pour échanger des messages
de commande entre le téléphone mobile et la station de
base.
• Pendant qu'une conversation se déroule, la porteuse radio
est modulée non seulement par les signaux vocaux, mais
aussi par les signaux de commande.
• Lorsque les signaux vocaux et les signaux de commande
sont complètement indépendants les uns des autres, on
peut les considérer chacun comme une voie "logique",
utilisant la même voie "physique" (la porteuse radio).
• Deux voies logiques utilisent un seul support physique.
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Réseaux GSM
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Voies logiques GSM
• Elles se décomposent en deux groupes principaux:
– les voies (canaux) de trafic
– les voies (canaux) de commande.
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Voies logiques GSM
1.
•
•
•
•
Voies vitesse Max
TCH :
Voie de Trafic Vocale Vitesse Maximum
TCH/F :
Voie de Trafic de Données Vitesse Max 9.6Kbps
TCH/F4.8 : Voie de Trafic de Données Vitesse Max 4.8Kbps
TCH/F2.4 : Voie de Trafic de Données Vitesse Max 2.4Kbps
2.
•
•
•
Voies Demi Vitesse
TCH/HS : Voie de Trafic Vocale Demi Vitesse
TCH/4.8 : Voie de Trafic de Données Demi-Vitesse 4.8Kbps
TCH/2.4 : Voie de Trafic de Données Demi Vitesse 2.4Kbps
3.
•
•
•
Voies Associées
ACCH :
Voie de Commande Associée
FACCH :
Voie de Commande Associée Rapide
SACCH :
Voie de Commande Associée Lente
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
59
Voies logiques de commande
• Les spécifications ETSI de GSM spécifient plusieurs types de
voies de commande (acronyme: CCH).
•
Ils appartiennent à trois groupes principaux:
– Voie de Diffusion (BCCH).
– Voie Commune (CCCH).
– Voie Spécialisée (DCCH).
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Réseaux GSM
60
30
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Groupe BCCH
• Les voies de commande de diffusion sont uniquement des liaisons
descendantes (de la station de base vers le mobile) et
comprennent les types suivants:
• La Voie BCCH transmet des informations sur le réseau
(paramètres système et synchronisation),
– Elle est toujours transmise sur une porteuse radio désignée (la
"porteuse BCCH") en utilisant l'intervalle de temps IT0.
– Les salves 'fictives" sont transmises pour garantir la continuité
lorsqu'il n'y a pas de trafic de porteuse BCCH.
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Réseaux GSM
61
BCCH: (Paramètres diffusés)
• BCCH diffuse les autres paramètres logiques (ou
informations système) caractéristiques de la cellule avec un
débit de 782 bps (configuration de base).
– Mode de transport:
– Informations "système" groupées en mots de 23 octets
(184 bits utiles)
– Les 184 bits sont codés en 456 bits et divisés en 8 demiblocs de 57 bits
– Les 8 demi-blocs sont entrelacés sur 4 bursts normaux
(schéma classique)
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Réseaux GSM
62
31
Système de Communication Radio Mobile
GSM
BCCH: Position dans la multitrame
• La place du BCCH dans la trame: il se trouve sur le slot 0 en
général, mais il y a une possibilité (d’utiliser aussi, en
supplément) les slot 2, 4, 6.
• La fréquence balise (fréquence BCCH) supporte aussi des
canaux communs, CCCH, et parfois dédiés (DCCH)
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Réseaux GSM
63
Groupe BCCH-FCCH
• La Voie de Commande de Fréquence (FCCH)
– FCCH permet un calage sur la fréquence de la BS, elle consiste en
un burst particulier émis environ toutes les 50 ms, ce burst
composé de 148 bits à « 0 », il est émis sur la porteuse f0 : il
produit un signal sinusoïdal de fréquence f0+1625/24 kHz, il est
présent seulement sur le slot 0 de la voie balise. Il est émis:
– dans les trames 0, 10, 20, 30 et 40 d’une multitrame à 51 trames
– 5 fois en 235,8 ms, soit environ 20 fois par seconde
– la détection de ce burst (comme celle d’un burst SCH) signifie
que le mobile écoute (effectivement) une voie balise
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64
32
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Groupe BCCH-SCH
• La Voie de Synchronisation SCH
• SCH fournit aux mobiles tous les éléments nécessaires à une
synchronisation complète, elle dispose de la séquence d’apprentissage
(longue) de 64 bits, elle a deux niveaux de synchronisation
– analogique, fine : top d’horloge (pip) pour mesurer le TA (Timing
Avance, avance en temps)
– logique : heure « logique » locale du réseau FN (Frame Number).
– La structure du burst de SCH est composée de 78 bits de données de
contrôle encodés (protégés) et d’une séquence d’apprentissage.
– La Position dans la multitrame: toujours après le burst FCCH. La SCH
est implantée dans une multitrame à 51 sur les cases (trames) 1, 11,
21, 31, 41.
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Réseaux GSM
65
Groupe BCCH-SCH
• SCH : Synchronisation fine
• Le SCH permet un calage précis en temps exécuté par le
mobile. En corrélant le burst reçu, via un filtre adapté (à la
séquence d’apprentissage étendue de 64 bits) on obtient un «
top » (d’horloge).
• Remarque : cette séquence de 64 bits est unique dans tous
• Avant l’observation du burst SCH, la synchronisation est de
l’ordre de la dizaine de ms, après l’analyse du burst SCH, la
synchronisation est l’ordre de la ms.
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66
33
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Groupe BCCH-SCH
• SCH paramètres transportés
– FN (heure logique) : codé en RFN (Reduced Frame
Number) qui se compose de 19 bits, et qui permet de
déterminer le FN, RFN est une écriture « compacte » du FN
– 0 < FN < Modulo = 51*26*2
– Log2(Modulo) = 22 bits
– Il comprend 19 bits (au lieu de 22 : on gagne 3 bits (!))
découpés en 3 champs
– BSIC (Base Station Identity Code) : il se compose de 6 bits,
permettant de discriminer 2 stations de base utilisant la
même fréquence de balise (ou fréquence BCCH).
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Réseaux GSM
67
Groupe BCCH - SCH
•
•
•
Les 2 cellules grisées ont leur voie
balise sur la même porteuse f1, et
pour les différencier, on leur
attribue 2 BSIC différents quant au
BCC (BCC= 0 et BCC= 2 sur la
figure.).
A ces 2 valeurs de BSIC,
correspondent
2
séquences
d’apprentissage différentes (de 26
bits) pour les bursts dits «
normaux ».
Le mobile accroché à une BS (avec
un certain BCC) ne peut pas
s’accrocher insidieusement à une
autre BS proche (même si elle
utilise les mêmes fréquences.)
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34
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Groupe CCCH
• La voie commune de commande (CCCH) assure les transferts
de données entre tous les mobiles et le BTS.
• Ceci est nécessaire pour assurer les fonctions de
détermination de "l'origine d'une communication" et de
"recherche de personne".
• Le groupe (CCCH) comprend les voies bidirectionnelles
suivantes: RACH, PCH, AGCH
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Réseaux GSM
69
Groupe CCCH
• La Voie de Commande à Accès Aléatoire (RACH)
– constitue la liaison ascendante servant à avoir accès au
système pour lancer une communication ou pour
répondre à une recherche de personne.
– Pour chaque action (localisation, SMS, appels…), le mobile
doit se signaler au réseau, pour cela, il envoie une requête
RACH très courte sur un seul burst vers la BTS, la requête
est envoyée sur des slots particuliers en accès type Aloha
slotté.
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70
35
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Groupe CCCH
• La Voie de Recherche de Personne (PCH)
– Le PCH fonctionne dans le sens "liaison descendante"
(vers le mobile).
– Il est utile lorsque le réseau désire communiquer avec un
mobile (appel, SMS, authentification…), l’identité du
mobile est diffusée sur un ensemble de cellules
appartenant à la même LA via le PCH. Il nous donne la
possibilité et la flexibilité d'appeler jusqu’à 4 mobiles
dans le même message en utilisant le TMSI au lieu de
l'IMSI.
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Réseaux GSM
71
Groupe CCCH
• La voie AGCH
– En réponse à un RACH, l'AGCH vise à attribuer un canal
dédié.
– Le message d’allocation contient :
• la porteuse
• le numéro de slot et/ou description de la loi de saut si
le saut de fréquences est implémenté
• paramètre TA
– Les voies PCH et AGCH ne sont jamais utilisées
simultanément par un mobile.
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36
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Groupe DCCH
• Les voies de commande spécialisées (DCCH) sont affectées
à un seul mobile pour l'établissement d'une
communication ou dans des buts de mesure ou de
transfert.
• La Voie de Commande Spécialisée Autonome (SDCCH) qui
se charge du transfert des données vers le mobile ou à
partir du mobile pendant l'établissement de la
communication.
• La Voie de Commande Associée (ACCH). Cette voie peut
être associée à une voie SDCCH ou à une voie TCH,
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73
Groupe DCCH - SDCCH
• Les voies de commande spécialisées (DCCH) sont affectées à un
seul mobile pour l'établissement d'une communication ou dans
des buts de mesure ou de transfert.
• La Voie de Commande Spécialisée Autonome (SDCCH) qui se
charge du transfert des données vers le mobile ou à partir du
mobile pendant l'établissement de la communication.
• Des canaux de signalisation SDCCH transportent les données
utilisateurs (SMS) et provenant des couches hautes du système :
HO, MOC, MTC, location update.
• Le débit du canal SDCCH est plus faible, de l'ordre de 800 bps
soit 1/12ème de la capacité d'un TCH. Sur un canal physique, on
peut placer soit un TCH et son SACCH associé, soit 8 canaux
SDCCH(SDC) et leurs SACCH associés
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37
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Groupe DCCH - SACCH
• La voie SACCH (Voie de Commande Associée Lente)
• Les canaux TCH et SDCCH possèdent chacun un canal associé à
faible débit SACCH. Il faut 4 TS soit 480 ms pour avoir une mesure
SACCH (456 bits) valable.
• Il supporte :
– compensation du délai de propagation aller-retour par le
mécanisme de TA (timing Advance)
– contrôle de la puissance d'émission du mobile (pas de 2 dB)
– contrôle de qualité du lien radio
– rapatriement des mesures effectuées sur les cellules voisines
– SMS (texto)
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Réseaux GSM
75
Groupe DCCH - FACCH
• La voie FACCH (Voie de Commande Associée Rapide)
– L’intérêt du canal FACCH vient du fait que le SACCH est
trop lent et induit un retard de l’ordre de la demi-seconde
impropre à traiter les actions rapides comme l’exécution
d’un handover.
– Elle n'est associée qu'à des voies de trafic, et elle transmet
des informations d'événements, comme par exemple les
informations nécessaires pour déclencher un transfert.
• Si le canal alloué est un TCH, on suspend dans ce cas
d’urgence les informations usagers et on vole la
capacité ainsi libérée afin d’écouler de la signalisation.
• Si le canal dédié est un SDCCH, la FACCH est inutile
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
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38
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Voies de commande
CCH voies de Contrôle
BCCH
DCCH
SDCCH
ACCH
FACCH
SACCH
RACH
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CCCH
Voie de
diffusion
Voies de
Synchronisatio
n
SCH
FCCH
PCH / AGCH
Réseaux GSM
77
Récapitulatif des canaux
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Réseaux GSM
78
39
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Questions
1. Citer toutes les voies logiques de commande
bidirectionnelles en précisant leurs fonctions respectives ?
2. Décrire la fonction des canaux logiques suivants : FCCH,
FACCH, SACCH, AGCCH. ?
3. Quels sont les canaux qui font partis du groupe CCH ?
4. La voie SDCCH
 Est une voie de trafic dédiée assurant le transfert de données
avec les mobiles en phase d'établissement de communication.
 Est une voie associée à une voie de trafic TCH
 Est une voie unidirectionnelle dans le sens descendant
(BTSMS)
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Réseaux GSM
79
Les bursts ou Salves
• Chaque slot contient un des cinq bursts possibles (cf. GSM
05.02) :
– Burst normal (BN): Transport des infos. Sur les canaux de
trafic et de contrôle (sauf RACH).
– Burst de correction de fréquence (FB): La répétition des
FB est aussi appelé canal de correction en fréquence
(FCCH).
– Burst de synchronisation (SB): Il transporte le numéro de
trame TDMA (FN) et l’identité de la BTS (BSIC).
– Burst d’accès (AB): La période de garde de 68,25 bits
autorise une distance de 35 Km.
• Ce burst est utilisé sur le RACH et après un handover.
– Burst de bourrage (DB).
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40
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Burst normal (NB)
•
•
Tail : 0,0,0
Données e0-e57
Training Sequence Code (TSC) Training sequence bits (BN61, BN62 ... BN86)
0
1
2
3
4
5
6
7
(0,0,1,0,0,1,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1,0,1,1,1)
(0,0,1,0,1,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,1,1,0,1,1,1)
(0,1,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,0,1,0,0,1,0,0,0,0,1,1,1,0)
(0,1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,1,1,1,0)
(0,0,0,1,1,0,1,0,1,1,1,0,0,1,0,0,0,0,0,1,1,0,1,0,1,1)
(0,1,0,0,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,1,0,1,0)
(1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1)
(1,1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,0)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
81
Burst de Synchronisation (SB)
• Données e0-e38 et e39-e77 (cf. GSM 05.03).
– Séquence d’apprentissage étendue :
– (BN42, BN43 ... BN105)
(1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0,
0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0,
1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1)
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Réseaux GSM
82
41
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Burst de correction de fréquence FB
Les données ne contiennent que des « 1 » soit un signal de
fréquence constante f0+ 67,7 KHz (1625/24 KHz).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
83
Burst d’accès (AB)
• Demande d’accès à une ressource radio.
• (BN8, BN9 ... BN48)
(0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1,
0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0)
• Données e0-e35 (cf. GSM 05.03).
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
84
42
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Burst de bourrage (DB)
•
Les Bursts de bourrage (DB) sont utilisés pour mesurer la
qualité du lien radio.
• (BN3, BN4 ... BN144)
(1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1,0, 0, 1,
0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1,
1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 0,
0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0,
0, 1, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
85
Les séquences d’apprentissage
• Les séquences d’apprentissage ont des propriétés spéciales
d’autocorrélation périodique qui sont mises à profit par
l’égalisateur pour déterminer précisément le début du
burst.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
86
43
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Durées élémentaires
• La durée d’un BIT est de Tb = 48/13 μs (3,692 μs).
• La ressource radio élémentaire est un SLOT de 156.25 bits
pour une durée de 15/26 ms (0,577 ms).
– Un slot contient un BURST de 148 bits ou 88 bits.
– Une période de garde de 8,25 ou 68,25 bits est utilisée
pour éviter les chevauchements entre slots.
• La modulation utilisée est de type GMSK.
• Le taux de modulation est d'environ 270,833 Kbps (1625/6
Kbps).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
87
Trame TDMA
• Division en intervalles de temps IT (ou slots).
– Tslot = 0,5769 ms (15/26 ms).
• Regroupement des slots par paquets de 8 forme une trame
TDMA :
– TTDMA = 8.Tslot = 4,6152 ms (60/13 ms).
• Chaque utilisateur utilise 1 slot par trame TDMA.
– Un «canal physique» est la répétition périodique d’un slot
dans une trame TDMA sur une fréquence particulière.
• Possibilité de n’allouer qu’un slot toutes les 2 trames TDMA
(canal physique demi-débit pour la parole).
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
88
44
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Times slots, Trames TDMA
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
89
Hiérarchie des trames TDMA
• La norme GSM impose l'organisation du transport des slots
sous forme d'une structure à 4 niveaux hiérarchiques de
trames.
– La trame TDMA : 8 slots, TTDMA= 4,615 ms
– La multitrame : de 2 types possibles suivant le type de
canaux à transporter
– Multitrame à 26 : 26 trames TDMA, Durée = 120 ms
(canaux de trafic et de contrôle)
– Multitrame à 51 : 51 trames TDMA, Durée = 235,365 ms
(pour les canaux de contrôle).
– La supertrame : 1326 trames TDMA; TSUPERTRAME= 6,12 s
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
90
45
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Multi-trames TDMA
• Multi-trame 26 (51 par super-trame) d’une durée de 120 ms,
qui contient 26 trames TDMA. Cette multitrame est utilisée
pour transporter les canaux TCH, (SACCH/T) et FACCH.
•
Multi-trame 51 (26 par super-trame) d’une durée de 235,4
ms (3 060/13 ms), qui contient 51 trames TDMA. Cette multitrame est utilisée pour transporter les canaux BCCH, CCCH
(NCH, AGCH, PCH et RACH) et SDCCH (SACCH/C).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
91
Hiérarchie des trames TDMA
• Dans chaque trame TDMA, on peut trouver des slots qui
évoluent en multitrame à 26 et d'autres en multitrames à 51.
La structure de supertrame permet d'homogénéiser
l'organisation entre tous les slots d'une même trame TDMA.
• L'hypertrame: 2048 supertrames ; TDurée= 3h 28min 53s
760ms.
• La structure de l’hypertrame dure 2048*26*51=2715648
trames TDMA. Chaque trame TDMA est repérée par un
compteur FN dans l'hypertrame. Le compteur FN donne en
quelque sorte la base de temps propre de la BTS.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
92
46
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Hiérarchie des trames TDMA
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
93
Exemple de mappage des canaux logiques
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Réseaux GSM
94
47
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Le Timing Advance (TA)
• Compenser le temps de
propagation du signal
(30 Km en 100 μs).
• Codé
sur
6
bits
(valeurs entre 0 et 63).
C’est pour cela que l’on
a des périodes de garde.
• Temps
d’aller-retour
MS-BTS.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
95
Le vocodeur
• Le vocodeur est défini par la recommandation GSM 06.10.
• Il est du type RPE-LTP (Regular Pulse Excitation –Long
Term prediction).
• Le vocoder attend 160 échantillons PCM (Pulse Coded
Modulation) de 13 bits.
• Le vocodeur analyse le signal à court et long terme au
travers de filtres numériques récursifs excités par 13
impulsions de référence.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
96
48
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Les échantillons
• Les échantillons peuvent provenir d'un combiné de type
analogique ou bien provenir d'un réseau de type numérique.
– Dans le premier cas, il sont obtenus par une conversion
analogique numérique uniforme sur 13 bits à 8 KHz.
– Dans le second cas, il faut opérer une conversion 8
bits/13 bits (cf. normes ITU G.711/G714 et G.721/G726)
suivant la technique de compression utilisée (loi A
Européenne ou loi m Américaine).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
97
Débit en sortie du vocodeur
• Une réduction significative du débit nécessaire est alors
obtenue (13 Kbps contre 64 Kbps).
• On retrouve en sortie du vocodeur 260 bits toutes les 20 ms
au débit nominal (FR, Full Rate) et 244 bits pour la version
augmentée en phase 2+ (EFR, Enhanced Full Rate).
• Ils proviennent des coefficients de réflexion LAR Log Area
Ratio (36 bits/20 ms), des paramètres RPE (47 bits/5 ms) et
des paramètres LPT (9 bits/5 ms).
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Réseaux GSM
98
49
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Schéma de l’encodeur RPE-LTP
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Réseaux GSM
99
Schéma du décodeur RPE-LTP
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
100
50
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Codage Canal
• Pour protéger les données 3 techniques de codage canal sont
mises en œuvre:
– le codage en bloc (cyclique) pour détecter les erreurs,
– le codage convolutionnel pour corriger les erreurs,
– l'entrelacement pour augmenter la diversité et se prémunir
contre les erreurs qui se produisent généralement par
rafales ou par paquets
• Ces techniques sont utilisées seules ou combinées pour traiter
chaque 20ms les 260 bits délivrés par le vocodeur
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
101
Codage Canal
• Les bits de données sont séparés en trois classes:
• Classe IA
– formé par les 50 premiers bits. ce sont les plus importants
et donc les plus protégés par le code cyclique et le code
convolutionnel.
• Classe IB
– Formé par les 132 bits suivants. Ils sont importants et
donc protégés par le code convolutionnel seulement.
• Classe II
– Les 78 bits restants. Ce sont les moins importants et donc
ne sont pas protégés.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
102
51
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Codage Canal
• Code cyclique
– le code cyclique concerne uniquement les 50 bits de classe
IA du canal de parole. Il ne permet pas de corriger des
erreurs mais uniquement de détecter la présence
d'erreurs non corrigibles par le code convolutionnel
– Le code C(53,50,2) ajoute 3 bits de parité et il a pour
caractéristiques
• Longueur n = 53
• Dimension k = 50
• Distance minimale dmin= 2
• Polynôme générateur G(D) = D3 + D + 1.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
103
Codage Canal
• Le code convolutionnel
– On utilise un code convolutionnel, de longueur de fenêtre
L=5 (c'est à dire qu'il faut 4 registres), les blocs ne
contiennent dans ce cas qu'un seul bit (k=1), et le codeur
fournit pour chacun deux bits de sortie (n=2). Le taux du
code est ½, il a donc pour effet de doubler le nombre de
bits présentés à l'entrée.
– Ce code concerne les bits suivants
• les 53 bits issus du codage cyclique
• les 132 bits de classe IB.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
104
52
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Codage Canal
• Au total, on obtient un
bloque de 267 bits à
l’entré
du
codeur
convolutionnel dont les
185 bits de la classe I
sont réordonnés selon
les bits pairs et impairs
comme il est représenté
sur le schéma cidessous.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
105
Codage Canal
• Les 189 bits seront donc codés par 378 bits
auxquels on associe le polynôme:
U(D)=u(0)+u(1)D+...+u(188)D188
• On
utilise
deux
polynômes
générateurs:
3
4
G0(D)=1+D +D pour les bits pairs du mot de code.
G1(D)=1+D+D3+D4 pour les bits impairs.
Donc pour tout 0<k<188
c(2k) = u(k) + u(k-3) + u(k-4) avec u(k<0)=0.
c(2k+1) = u(k) + u(k-1) + u(k-3) + u(k-4)
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
106
53
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Codage Canal (codage convolutionnel)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
107
Codage Canal
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
108
54
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Entrelacement
•
•
•
L'entrelacement a pour but de
s'assurer
que
seulement
certaines données de chaque
bloc de trafic sont contenues
dans chaque salve.
L'entrelacement est en grande
partie
à
l'origine
de
la
robustesse de la liaison radio
GSM ; l'entrelacement permet
de résister à des bruits et des
interférences importantes et de
maintenir la qualité du service
offert à l'abonné.
l'opération suivante consiste à
construire
des
salves
de
bits(trafic) pour pouvoir les
transmettre dans la structure
de trame TDMA.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
109
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
110
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
55
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
111
Encodage différentiel
•
Les bits avant d’être envoyés dans les «airs»
sont encodés de façon différentielle :
^
D  Di  Di 1
• Pour le premier bit, on suppose que les bits
précédents sont tous à 1 (cf. GSM 05.04
dummy bits).
• Ensuite, on a une modulation GMSK.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
112
56
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Modulation FSK et MSK
•
•
•
•
•
Transmission d’un bit à 1
– Sinusoïde de fréquence f0 - Df
Transmission d’un bit à 0
– Sinusoïde de fréquence f0 + Df
Exemple : modem V23 (minitel)
f0=1700Hz et Df = 400Hz
– Bit 1 -> 1300 Hz
– Bit 0 -> 2100 Hz
Relation entre D débit binaire et
Df :
– Dans le cas particulier où
Df/D=1/4, 99% de la
puissance du signal est
contenue dans une bande de
largeur 1,17.D.
– C’est la Modulation MSK
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
113
Modulation GMSK
• Le type de modulation utilisé est défini dans la
partie GSM 05.04.
• Il s’agit d’un type de modulation à saut fréquence,
la modulation GMSK (Gaussian Mimimum Shift
Keying).
• Dans ce type de modulation, les données passent
en premier lieu dans un filtre Gaussien.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
114
57
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Filtre Gaussien
• Expression de la réponse impulsionnelle du
filtre h(t) :
– B.T = 0,3 et T = 48/13 μs.
• B désigne la bande à 3 dB du filtre h(t), B =
81,25 KHz.
• Le principal intérêt de l’utilisation de cette
modulation est la quasi inexistence de lobes
secondaires dans la représentation spectrale.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
115
Modulation GMSK
• Le mobile GSM émet une porteuse de fréquence f0
modulée en fréquence ou en phase qui s’écrit, si on fait
abstraction du filtrage gaussien :
• e(t) = Ecos(ωot +φ(t)) avec
• φ(t) =πt/2Tbit si on transmet un « 1»
• φ(t) = -πt/2Tbit si on transmet un « 0»
• Pendant la durée d’un bit, la phase évolue linéairement
avec une pente positive ou négative suivant la valeur du
bit, et prend à la fin de la transmission du bit la valeur
très particulière de ±π/2.
e(t) = TXI(t).cos(ω0t) + TXQ(t). cos(ω0t+π/2)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
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Réseaux GSM
116
58
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Spectre GMSK
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
117
Modulation GMSK
TXI(t)
CNA
Signal binaire
Filtre
passe-bas
gaussien
Intégrateur
numérique
π/2Tb
S
Calcul
Numérique
TXQ(t)
CNA
cos(ω0t)
Déphaseur
π/2
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
118
59
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Chapitre 5
FONCTIONNEMENT DU RÉSEAU
GSM
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
119
Protocoles de signalisation
MS
BTS
CM
CM
MM
MM
Couche 3
RR
RR
RR
Couche 2
Couche 1
LAPDm
LAPDm
Physique
Physique
Interface Um



MSC
BSC
CM : Connection Management
MM : Mobility Management
RR : Radio Ressource Management
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
BTSM
BTSM
LAPD
LAPD
Physique
BSSAP
BSSAP
SCCP
SCCP
MPT
MTP
Physique
Interface A-bis




Réseaux GSM
Interface A
LAPD : Link Access Protocol / canal D
MTP : Message Transfer Part
SCCP : Signaling Connection Part
BSSAP : BSS Application part
120
60
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Protocoles de signalisation
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
BSSAP
LAPD
BSSMAP
LAPDm
BTSM
MM
CC
MTP
CM
RR
DTAP
SCCP
SMS
Base Station Subsystem Application Part
Link Access Procedure for the D-Channel
Base Station Subsystem Management Application Part
LAPD for Mobile
Base Transceiver Station Management
Mobility Management
Call Control
Message Transfer Part
Connection Management
Radio Resource Management
Direct Transfer Application Part
Signaling Connection Control Part
Short Message Service
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
121
Protocoles de communication
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
122
61
Système de Communication Radio Mobile
GSM
La couche 3
•
RR : Gestion des ressources Radio
– Sélection de cellule (choix de la porteuse), ouverture d’une
connexion, contrôle en cours de communication, handover,
terminaison
•
MM : Gestion de la mobilité MM
– Gestion de l’itinérance, procédure de mise à jour de zone de
localisation
– Gestion de la sécurité
•
•
•
•
•
Protéger l’utilisateur et le réseau
usurpations d’identité, écoutes frauduleuses, utilisations abusives
Authentification
Cryptage
CM : Gestion des connexions
– Établissement et relâchement des appels
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
123
RR : Sélection d’une cellule
•
•
•
•
•
Écoute des fréquences.
Sélection de la cellule serveuse.
Détection des infos sur le canal BCCH.
Re-sélection de la cellule serveuse.
Ecoute des canaux BCCH et PCH.
– Lecture de la liste des cellules voisines.
– Recherche du mobile (pagging).
• Mesures du signal reçu (RxLev, RxQual).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
124
62
Système de Communication Radio Mobile
GSM
RR : Contrôle durant un appel
• Garantir une bonne qualité de la liaison
• Contrôle de puissance (via SACCH)
• Le BSS détermine les niveaux de puissance
adéquats (grâce aux mesures)
• Utilisation du SACCH pour la compensation
temporelle (ou timing advance)
– Compenser les différences de temps de propagation
suivant la position du mobile dans la cellule
– Compensation coder sur 6 bits  valeurs de 0 à 63 * 3,7
μs (233 μs ).
– La valeur max correspond à une cellule de max de 35 Km
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
125
MM : Gestion de la mobilité
• Gestion de l’itinérance et de
la sécurité
• États d’un mobile
Éteint
– Éteint
• mémorisation de la dernière
localisation connue
• Commutation sur la
messagerie
– Idle
• Informe régulièrement le
réseau de ses changements de
localisation (IMSI-attached)
Extinction du
mobile ou panne
batterie
Mise en route
du mobile
Idle
Demande de
connexion
(trafic ou
signalisation)
Fin de la connexion
(trafic ou
signalisation)
Actif
– actif
• Procédure d’attachement
– pour indiquer le retour du
mobile dans le réseau
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
126
63
Système de Communication Radio Mobile
GSM
MM : Mise à jour de la localisation
• Permet de connaître la localisation d’un abonné
• Deux mécanismes de base :
– Localisation à la cellule prés
• Connaître la position exacte du mobile
• Lourde charge de signalisation
• Coût de localisation important mais pas de recherche
(rapidité)
– Localisation vaste
• Localisation sur un vaste ensemble de cellules
• Recherche avec paging : émettre des messages d’avis de
recherche dans les cellules visitées dernièrement
• Coût de recherche élevé (signalisation élevée) mais coût de
localisation faible
• Remarque : un VLR peut gérer plusieurs zones de
localisation
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
127
MM : Mise à jour de la localisation
La procédure de mise à jour de localisation :
•
•
Elle est à l’initiative du mobile
Elle est périodique
•
Elle est activée également quand le mobile se déplace et entre dans
une cellule appartenant à une nouvelle zone de localisation
Résumée par :
•
– Le mobile sait qu’il change de zone de localisation grâce au canal BCCH
qui contient la référence de la zone de localisation
– Il transmet son TMSI au nouveau VLR
– Le nouveau VLR, qui peut être l’ancien, récupère auprès de l’ancien le
profil du mobile
– Le VLR informe le HLR de la nouvelle zone de localisation du mobile
– Le HLR demande à l’ancien VLR d’effacer les infos relatives au mobile (si
VLR différent)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
128
64
Système de Communication Radio Mobile
GSM
MM : Sécurité
• Sécurité : protection de l’utilisateur et du réseau
– Usurpations d’identité, écoutes frauduleuses, utilisations
abusives
• Authentification du terminal
– Grâce au numéro IMEI
– EIR : contient la liste des terminaux volés ou impropres à
l’utilisation
• Authentification de l’abonné
• Cryptage de la communication
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
129
MM : Authentification
• Authentification
– A l’initiative du réseau
– Permet de vérifier que l’utilisateur (SIM) est bien
celui qu’il prétend être
– La vérification peut être faite à n’importe quel
moment
– Principe : poser une question dont la réponse
est connue que de l’abonné visé (sa carte SIM)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
130
65
Système de Communication Radio Mobile
GSM
MM : Principe d’authentification
• Authentification
– L’AuC (Authentification
Center) transmet un
nombre aléatoire Rand
(128 bits)
– Calcul : mobile et réseau
– Transmission du résultat
SRES
– Ki secrète n’est connu que
du réseau et de la carte
SIM (jamais transmise)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Ki
Rand
Algorithme A3
Ki
Algorithme A3
SRES
Réseau (AuC)
Carte SIM
Réseaux GSM
131
MM : Principe de cryptage
• Cryptage
–
–
–
–
Protection contre les écoutes inopportunes
De Ki + Rand + A8 est calculée la clé Kc
Kc : 64 bits
Séquence générée par A5 : Kc, numéro de
trame
– Combinaison avec la séquence à émettre
– Kc est stockée par le mobile et par la station
de base lors de la procédure
d’authentification, mais il est utilisé plus tard
lors de communication
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
132
66
Système de Communication Radio Mobile
GSM
MM : Sécurité
RAND
128 bits
Ki
up to 128 bits
A3, A8
SRES
32 bits
Kc
64 bits
Frame
number 22 bits
A5
Encryption
mask
114 bits
Ciphered
data
114 bits
Data
114 bits
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
133
MM: Répartition des paramètres sur le
réseau
• Le MS contient les algorithmes A3, A5 et A8, et la
clé Ki. Il sauvegarde les valeurs de Kc et TMSI.
• Le MSC/BSS conserve l’algorithme A5.
• L’AuC contient les algorithmes A3, A8 et les
enregistrements de IMSI, Ki.
• La base VLR conserve enregistrements de IMSI,
TMSI, LAI, CKSN, Kc, RAND et SRES.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
134
67
Système de Communication Radio Mobile
GSM
CM : Gestion des connexions
• CM gère l’établissement et le relâchement des
connexions
• Utilise les standard
signalisation SS7
des
réseaux
fixes
et
• L’établissement d’un appel diffère suivant son
origine
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
135
CM : Gestion des connexions
• Appel issu du mobile
–
–
–
–
–
–
–
–
Allumer le portable
Parcourt des fréquences
Sélectionne la cellule et le PLMN
État Idle
Signalisation périodique pour la localisation
Composition d’un numéro
Envoi d’une demande de connexion via RACH
Allocation d’un canal dédié de signalisation SDCCH
via AGCH
– Procédures d’authentification et d’autorisation
d’appel
– Le réseau route la demande vers le RTCP (SS7)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
136
68
Système de Communication Radio Mobile
GSM
CM : Gestion des connexions
• Appel vers un mobile
– Appel en utilisant le MSISDN
– Appel acheminé jusqu’au GMSC le plus proche
– Le HLR du mobile est interrogé pour
• trouver le VLR courant
• vérifier les caractéristiques de l’abonnement
• traduction du MSISDN en IMSI
– Le VLR diffuse le message de paging PCH dans la
zone de localisation
– Réponse du mobile (demande d’ouverture de canal
(via RACH, réponse paging)
– Établissement comme précédemment (entre GMSC
et le mobile via VLR-MSC)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
137
Appel type vers le mobile (1)
1. Recherche
de
l’abonné,
décidée par le MSC et
diffusée par toutes les BTS
de la zone de localisation
sur leur canal de paging
PCH.
2. Réponse du mobile sur le
canal RACH réservé à cet
effet. La BTS informe le BSC
d ’un nouvel arrivant ; en
réponse, elle reçoit l’ordre de
réserver pour ce mobile un
canal de signalisation dont
toutes les caractéristiques
sont précisées dans le
message
:
fréquence,
numéro de timeslot et type
de l ’activation.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
138
69
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Appel type vers le mobile (2)
3. Basculement
sur un
canal
dédié
de
signalisation : le mobile
est informé sur un canal
AGCH commun à tous
les mobiles de la cellule
qu’il doit basculer vers le
canal SDCCH qui lui a
été réservé lors de
l’étape précédente.
4. Etablissement
de
la
connexion sur le canal
dédié et transmission de
la raison de la connexion
: réponse à un appel
entrant.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
139
Appel type vers le mobile (3)
5. Procédures d’authentification, de chiffrement et éventuellement d’identification.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
140
70
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Appel type vers le mobile (4)
6. Acheminement du numéro jusqu’à l’appelé (et éventuellement de tous les services
supplémentaires : numéro de l’appelant, etc.) et confirmation par le mobile.
7. Basculement sur un canal dédié de trafic TCH+SACCH.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
141
Appel type vers le mobile (4)
8. Libération du lien SDCCH.
9. Avertissement de la sonnerie jusqu’au décrochage par l ’appelé. La conversation se déroule
ensuite normalement jusqu’à la déconnexion des interlocuteurs, avec éventuellement un ou
plusieurs handovers.
10. Fin de connexion au niveau des couches hautes du protocole.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
142
71
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Appel type vers le mobile (5)
11. Fin de connexion du lien radio entre le mobile et le réseau : désactivation du canal de trafic
par basculement sur un canal SDCCH, puis relâchement de ce dernier canal.
12. Fin de connexion au niveau des couches basses du protocole.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
143
Chapitre 6
PROCÉDURES DU HANDOVER
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
144
72
Système de Communication Radio Mobile
GSM
RR : Le handover (HO)
• Changement du lien radio (Cellule serveuse)
• Les causes :
– Transfert cellulaire (mobilité de l’utilisateur)
– Éviter la rupture du lien
– Équilibrer le trafic
– Minimiser la consommation d’énergie
• Pas d’algorithme imposé dans la norme GSM
– Le HO est décidé par le réseau
– Chaque opérateur établit une liste de critères
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
145
RR : Le handover (HO)
• Pendant la communication
• Le lien radio est mesuré
• Si la qualité passe sous un seuil : déclenchement
• Après la décision d’effectuer le HO
– L’ancienne station transmet à la nouvelle les
paramètres de transmission (clé de chiffrement,
débit,…)
– Réservation (éventuelle) des ressources sur les liens
BSC-BTS et MSC-BSC
– Le réseau transmet au mobile un message (référence
sur le nouveau canal de transmission)
– L’ancien canal est libéré
– Si pas de ressources disponible : échec de handover
(call dropped)
• Réservation
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
146
73
Système de Communication Radio Mobile
GSM
RR : Hard Handover
• Si déclenchement
– Etablissement du nouveau canal
– Transfert de la connexion vers le nouveau
lien
– Libération de l’ancien
MSC
MSC
MSC
...
...
...
...
...
...
Le MS ne gère qu’un seul canal
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
147
Le handover
• Différents type de HO vus du réseau
PSTN
Réseau mobile 1
MSC
Réseau mobile 2
MSC
MSC
1 : HO intra-cellulaire
2 : HO intra-BSC
BSC
BSC
BSC
BSC
3 : HO intra-MSC
4 : HO inter-MSC
5 : HO inter-réseau
1
2
3
Pr. J. ELABBADI / EMI
4
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
5
Réseaux GSM
148
74
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Déroulement d’un Ho type intra-MSC
Mobile
BTS 1
BSC A
MSC
BSC B
BTS 2
Measurement report Measurement Result
[Measurement report]
SACCH
1
Measurement report Measurement Result
SACCH
[Measurement report]
Handover
Required
2
3
Handover Command
Data Request
FACCH
[Handover Command]
Handover
Command
Handover
Request
4
Handover
Detect
Handover
Complete
5
Channel Activation
Handover Request Channel Activation
Acknowledge
Acknowledge
[Handover Command]
Clear Command
Handover
Detection
Mobile
Handover
Access
TCH
Physical
Establish Indication Information
FACCH
Handover
Complete
Data Indication
[Handover Complete] FACCH
RF Channel Release
6
RF Channel Release
Acknowledge
Pr. J. ELABBADI / EMI
Clear Command
Réseaux GSM
149
Déroulement d’un Ho type
1. Phase préliminaire d’observation (remontée des
mesures) et décision d’exécution du HO : le BSC A
remonte au MSC l’identité de la cellule cible : le MSC
informe le BSC dont dépend la cellule cible (BSC B) et
lui demande la permission d’exécuter un HO
2. Réservation des ressources du côté de la cellule cible
(BTS 2), après quoi le BSC cible informe le MSC que
l’exécution du HO est possible
3. Exécution du HO : Ce message redescend du MSC
jusqu’au mobile et contient les informations
essentielles suivantes : fréquences et BSIC de la voie
balise BCCH de la cellule cible, description du
nouveau canal dédié (signalisation SDCCH/trafic
TCH, n° timeslot, fréquence), n° de référence du HO et
puissance d’accès
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
150
75
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Déroulement d’un Ho type
4. Arrivée du mobile dans la cellule cible : Le mobile
envoie à la BTS 2 le n° de référence de son HO et reçoit
en échange la valeur du timing advance : le mobile est
détecté dans la nouvelle cellule. La BTS envoie ensuite
un message d’initialisation, comme s’il s’agissait d’un
début de communication classique.
5. Réussite du HO : Le lien est bien établi.
6. Libération des ressources sur la BTS1 pour pouvoir les
allouer à une autre communication
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
151
Handover Inter MSC
(1, 2, 3) : Le MSC1 établit une
voie de signalisation vers la
BTS cible à travers le MSC2.
(4) : Acquittement du BSC cible.
(5) : Le MSC2 informe le MSC1 de
l'accord du BSC cible.
(6, 7,8) : Le MSC1 commande le
mobile à travers la BSC de la
MSC1 à se porter sur la BTS
cible.
(9, 10) : Exécution du Handover
et établissement de
communication entre la BTS 2
et MS.
(11,12) : le MSC1 commande de
libérer les anciens liens.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
152
76
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Questions
1. Quel est l’intérêt de l’entrelacement ? Expliquer comment
les bursts audio sont entrelacés sur la voie radio ?
2. Donner les principaux protocoles de communication
utilisés au niveau de la couche 3 dans le réseau GSM ?
3. Décrire la procédure d’authentification d’un mobile
GSM ? Quel est le canal utilisé dans ce cas ?
4. Le transfert inter cellules est géré par le MSC
 Dans le cas ou les deux BTS sont gérées par le même BSC
 Dans le cas ou les deux BTS sont gérées par deux BSC
différents
 Dans tous les cas
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
153
Réseaux GSM
154
Chapitre 7
SERVICE SMS
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
77
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Description
• SMS : Short Messages Service.
• Le service SMS permet de transmettre un message
court, via le réseau téléphonique.
• Il y a différents types de messages courts:
– Les suites d’entiers
– les suites de demi-octets ou d’octets (140 Max)
– une chaîne de caractères ASCII codés sur 7 bits
(160 caractères Max)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
155
Description
• Les applications possibles
– Messagerie bidirectionnelle
– MMS ou EMS : Messages Multimédias
– Programmation ou lecture de la carte SIM à
distance
– Services supplémentaires non structurés
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
156
78
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Généralités
• Le service SMS nécessite la mise en place d’un
serveur SM-SC ou « Short Message - Service
Center » c’est l’élément réseau qui rentre en jeu.
– Possibilité de stockage des messages en cas
d’indisponibilité du mobile demandé.
– Horodatage des messages.
– Gestion d’accusé de réception sur demande de
l’envoyeur.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
157
Généralités
• SM-SC: permet de sauvegarder et de retransmettre
les SMS jusqu’à ce que le destinataire puisse
effectivement recevoir les messages (si il n’est pas
sur le réseau par exemple).
• Un SM-SC ne fait pas partie intégrante du réseau,
mais il est souvent intégré au MSC.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
158
79
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Les entités de base du service SMS
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
159
Gateway MSC (SMS-GMSC) :
• Il s’agit d’une fonction capable d’une part de
recevoir un message court d’une entité SM-SC et
d’interroger le HLR afin de déterminer la
localisation de la station mobile destinataire et
d’autre part de délivrer le message court au MSC
auquel est attaché cette station mobile
destinataire.
• Le MSC de rattachement est aussi appelé VMSC
(Visited MSC).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
160
80
Système de Communication Radio Mobile
GSM
IWMSC
• Interworking MSC For Short Message Service
(SMS-IWMSC) :
– Il s’agit d’une fonction capable de recevoir un
message court d’un MSC et de le soumettre à un
SM-SC.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
161
Centre SMS-SMSC
• Généralement, les produits SMSCs vendus mettent
en œuvre les fonctions SMS-GMSC, SMS-IWMSC et
SMSC. Un produit SMSC comporte une interface
normalisée côté réseau GSM (SMS-GMSC ou SMSIWMSC) reposant sur le protocole de signalisation
MAP (Mobile Application Part) et une interface
non-normalisée côté SME, e.g., SMPP (Short
Message Peer to Peer). Les messages MAP sont
transportés par le réseau SS7 (Signaling System
N°7).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
162
81
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Envoi d’un SMS depuis un mobile
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
163
Transfert d’un SMS vers un mobile
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
164
82
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Transfert d’un SMS vers un mobile (2)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
165
Transfert d’un SMS vers un mobile (3)
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
166
83
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Service SMS Cell Broadcast
• Le service Cell Broadcast (CBS, Cell Broadcast Service)
permet la diffusion d’un certain nombre de messages non
acquittés à tous les récepteurs dans une région donnée,
messages qui sont diffusés sur des aires appelées Cell
Broadcast Areas. Une aire peut comporter une ou plusieurs
cellules, voire même inclure l’ensemble du réseau mobile.
• Après commun accord entre le fournisseur de contenu et
l’opérateur mobile une aire de diffusion est affectée à un
message CBS.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
167
Service SMS Cell Broadcast
• Les messages CBS peuvent provenir d'un certain nombre
d'entités de diffusion (CBE, Cell Broadcast Entity), reliées à
un CBC (Cell Broadcast Center). CBE est reçu par le CBC. Ce
dernier diffuse le message CBS aux BTSs appartenant à
l’aire affectée à ce message CBS.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
168
84
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Architecture du service SMS cell
broadcast
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
169
Service SMS Cell Broadcast
• Cell Broacast Centre (CBC) : Le CBC peut être connecté à
plusieurs CBE et plusieurs BSCs (Base Station Controllers).
Le CBC est responsable de la gestion des messages CBS et
des fonctions suivantes en particulier :
– Il alloue un numéro de série au message,
– Il modifie ou supprime les messages pris en charge par le
BSC,
– Il désigne l’ensemble des BTS où le message doit être diffusé,
– Il détermine la période de rediffusion du message,
– Il détermine quand le message ne doit plus être diffusé,
– Il diffuse des messages de taille fixe (82 octets) au BSC. Si le
message à émettre a une taille inférieure à 82 octets, il le
complète avec des octets de bourrage.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
170
85
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Chapitre 8
DIMENSIONNEMENT DES
INTERFACES DU RÉSEAU GSM
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
171
Ingénierie du trafic – Objectifs
• Déterminer la capacité adéquate au moindre coût,
• L’ingénierie du trafic est appliquée à toutes les étapes du
déploiement de réseaux :
– Design initial : nombre de cellules, taille des commutateurs,
– Déploiement du réseau : ressources BTSs, anticiper la
demande,…
• Eviter le surdimensionnement (implique coûts élevés pour
un faible trafic),
• Eviter le sous-dimensionnement (mauvaise QoS, perte de
trafic,…).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
172
86
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Notion d’heure de pointe
• Dimensionnement d’un réseau de télécommunications :
– Dimensionnement en nombre de canaux basé sur l’heure
la plus chargée d’une journée normale,
– Evénement spéciaux (désastres, jour de l’an,…) non
considérés (sauf événement ayant fait l’objet d’une action
marketing).
• Heure de pointe et précision
– Option 1 : une heure fixe est choisie et utilisée tous les
jours,
– Option 2 : Une heure particulière est choisie pour chaque
jour (heure de pointe flottante),
– Option 3 : heure de pointe déterminée individuellement
par MSC, par BSC ou par cellule.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
173
Définition de l’Erlang
• Charge d’un système = nombre d’unités d’information
(messages ou bits) à écouler par unité de temps.
• Unité Erlang (Erl) : Taux d’occupation d’un canal.
• Tables d’Erlang : Permettent de déterminer un facteur
parmi :
– Le nombre de canaux de trafic,
– Le trafic en Erlang,
– Le taux de blocage.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
174
87
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Définitions
Trafic
en
Erlang
=
Durée
d’occupation
ressource(s)/Durée de la période de référence.
de(s)
• 1 Erlang= Occupation de(s) ressource(s) pendant toute la
durée de la période de référence.
– Exemple 1 : un trafic de 0,5 Erlang correspond à
l’occupation de 1 ressource pendant 50% du temps ou
de 2 ressources pendant 25% du temps.
– Exemple 2 : un trafic de 4 Erlang correspond à
l’occupation de 4 ressource pendant 100% du temps ou
de 8 ressources pendant 50% du temps.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
175
Trafic offert et trafic écoulé
• Trafic offertressources disponibles avec un taux de
blocage de x%  Trafic écoulé (débit)
• Augmenter le taux de blocage
– Augmenter le nombre d’abonnés (plus de trafic offert)
– Diminuer la qualité de service.
• Diminuer le taux de blocage
– Diminuer le nombre d’abonnés (moins de trafic offert)
– Augmenter la qualité de service.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
176
88
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Loi d’Erlang B
AN
N!
E A  
A A2
AN
1 
 ... 
1! 2!
N!
• E[A] : taux de blocage (avec pertes et sans file d’attente).
• N : nombre d’Erlangs ou Trafic offert.
• ( A  l.T : nombre moyen de demandes de canaux par unité
de temps et l : durée moyenne d’occupation de canal ).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
177
Approximation de la loi d’Erlang
• Une approximation de la loi d’Erlang est donnée par la loi
de Rigault :
N  A k A
• où A est le trafic en Erlang,
• 10-k est le taux de blocage soit :
k   log10 taux de blocage 
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
178
89
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Exercice d’application
Une partie d’un réseau télécom est constituée de 7 BTS dont
les caractéristiques sont données par :
Type
1
2
3
Nombre
3
2
2
Nombre de TRX
1
2
4
Capacité en TRX
8
8
8
Les indicateurs de qualité QoS donnent un taux de rejection de
5% sur la majorité de ces BTS
1. Quelles sont les modifications à apporter à la configuration
des BTS pour ramener le taux de rejection à 2%.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
179
Distribution d’Erlang C (avec files
d’attente)
• Files d’attentes utilisées pour réduire le problème de
blocage des appels : les appels ne trouvant pas de
ressources libres sont mis en attente.
• Formules d’Erlang C  dimensionnement du nombre de
ressources en fonction de la qualité de service.
• La qualité de service dépend du temps d’attente avant
traitement et du nombre d’appels en attente dans la file.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
180
90
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Utilisation de la file d’attente
Gestion de la demande d’accès sur l’interface radio BSC
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
181
Distribution d’Erlang C (avec files
d’attente)
• On définit :
– N : nombre de ressources,
– A : trafic offert en Erlangs,
– J : nombre d’appels en attente dans la file,
– B : probabilité de perte d’appel, cas sans file d’attente
(Erlang B),
– d : temps moyen de service nécessaire pour traiter un
appel.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
182
91
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Formules d’Erlang C (1)
• Probabilité qu’une demande attend d’être servie :
N .B
(1)
N  A1  B 
• Délai moyen (attente dans la file) : D 
C
C
d
NA
(2)
• Nombre moyen d’appels en attente (taille de la file) :
A.C
(3)
NA
• Probabilité que le délai w soit supérieur à t secondes :
J
Pr ob w  t   Ce  N  A t d (4)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
183
Formules d’Erlang C (2)
• Probabilité que j appels soient en attente :
A
C 
N 
j
(5)
• Probabilité que N serveurs soient occupés et j places soient
prises dans la file :
A  A 

p N  j   C 1   
N  N 

Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
j
(6)
184
92
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Utilisation des formules d’Erlang C
Quel est le nombre N de ressources nécessaires pour
satisfaire ces conditions?
– t=15s,
– Probabilité d’obtenir une ressource en t secondes au
moins =95%,
– d= 60 sec .
– 3000 appels / heure,
– A=3000x60/3600=50 Erl,
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
185
Utilisation des formules d’Erlang C
La détermination de N nécessite le calcule de C et la
Pr ob .w  t 
probabilité
• Avec N=55, B=0.054 (Erlang B), C=0.388, la probabilité
pour que le délai dépasse t est
Pr ob w  t   0.11  1  0.95
Non OK.
• Avec N=56, Pr ob w  t   0.09  1  0.95 Non OK
• Avec N=57, Pr ob w  t   0.083  1  0.95
toujours supérieur à 0.05
Non OK
• Avec N=58, Pr ob w  t   0.0496  1  0.95 OK
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
186
93
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Utilisation des formules d’Erlang C
• Détermination du nombre de places dans la file (taille de la
file) :
• Décider du nombre d’appels à rejeter pour cause d’absence
dans la file,
• Trouver j en utilisant la formule (5).
– Avec A=50 Erl, N=57, B=0.039 et C=0.246 => (5) 𝑗 =
𝑙𝑜𝑔0,01 − 𝑙𝑜𝑔𝐶 ⁄ 𝑙𝑜𝑔𝐴 − 𝑙𝑜𝑔𝑁 = 24,4 𝑑𝑜𝑛𝑐 𝑗 = 25
– Finalement le temps moyen d’attente =2,1 s
– Le nombre moyen d’appels en attente = 1.76.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
187
Etapes de dimensionnement d’un
réseau GSM
BSC
Interface Um
Cellule
Interface A
BSC
Interface Abis
MSC
VLR
MSC
HLR
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Interface B, C et D
Réseaux GSM
188
94
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Ressources à dimensionner sur
l’interface radio
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
189
Eléments d’évaluation du trafic et de
dimensionnement.
• Estimation de la charge de trafic
– Paramètres à déterminer : durée moyenne d’un appel,
taux d’arrivée des appels, taux d’occupation des
ressources, taux de pénétration, débit du transfert…
• Le taux d’appel par abonné varie en fonction de :
– Heure du jour, cout de l’appel, disponibilité des équipements,
taux de pénétration.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
190
95
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Paramètres et processus utilisés dans
le modèle de trafic
Modèle de trafic
Communications
de voix
Modèle de mobilité
Communications
de données
Mise à jour de
localisation
Handover
Itinérance interRéseaux
Trafic par zone
Paramètres
d’enregistrement
périodique
Pr. J. ELABBADI / EMI
Paramètres d’accès aux
cellules
Système
Réseaux GSM
191
Exemples de scénario
• Zone de 1500 habitants à 0,02 Erlang
– Croissance : +50% par an,
– Taux de pénétration : 35%.
• 2000 Visiteurs à l’heure de pointe à 0,1 Erlang
– Croissance : +20% par an,
– Taux de pénétration 80%
• Une route principale avec des utilisateurs à 0,2 Erlang
– Maximum : 300 véhicules simultanément,
– Taux de pénétration : 75%,
– Croissance : 5%.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
192
96
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Dimensionnement des canaux TCH
Taux de trafic par abonné
Nombre d’abonnés
x
QoS (Taux de blocage)
Trafic par cellule
Formule d’Erlang
Nombre de canaux TCH
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
193
Dimensionnement SDCCH (1)
Le SDCCH transporte : messages d’établissement
d’appels, mise à jour de localisation, SMS.
• Variante 1. Durée d’occupation du canal SDCCH
• Par usager :dSDCCH  lC .TC  lloc .Tloc  lSMS .TSMS
• Par cellule : DSDCCH  dSDCCH.users
• Avec :
–
–
–
–
–
–
–
lC : Taux d’appels entrants et sortants,
TC : Durée moyenne d’établissement d’appel,
lloc : Taux de mise à jour de localisation,
Tloc : Durée moyenne d’une mise à jour de localisation,
lSMS: Taux de SMS entrants et sortants,
TSMS
: Durée moyenne d’envoi d’un SMS,
users : Nombre moyen d’usagers / Cellule.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
194
97
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Dimensionnement SDCCH (2)
Variante 2.
• Trafic SDCCH calculé à partir du trafic TCH :
TraficSDCCH  TraficTCH .1  XSMS  Yloc .DuréeSDCCH DuréeTCH
• Avec :
X SMS  nombre de SMS /nombre d' appels,
Yloc  nombre de LU /nombre d' appels,
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
195
Nombre de SDCCH par cellule
Nombre de
canaux
SDCCH
Taux d’appels/sec
Nombre de ITs
SDCCH
Taux de LUs/sec
Taux estimé par cellule
Formule
d’Erlang
/8
QoS
Durée moyenne
d’occupation de SDCCH
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
196
98
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Dimensionnement du canal AGCH
Les canaux AGCH transportent les messages « Immediate
Assignement » (1 par bloc) pour l’allocation de canal
SDCCH.
DAGCH  users.ca  loc  SMS .N bl
• users: Nombre moyens d’abonnés par cellule,
• ca : Taux d’appels entrants et sortants par usager,
• loc : taux de mise à jour de localisation par usager,
• SMS : taux de SMS-MT et SMS-MO par usager,
• N bl : nombre de blocs AGCH utilisés par allocation de
canal.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
197
Dimensionnement du canal PCH
Un bloc PCH permet de pager au maximum 4 mobiles
simultanément si le TMSI est utilisé, sinon, 2 mobiles
en utilisant l’IMSI.
• Intervient pour les appels et les SMS entrants dans la
zone de localisation de la cellule :
D PCH  users .MT  SMS _ MT .NC loc .M p .N bl
Où
• MT
: taux d’appels entrants par usager,

SMS
_
MT
•
: taux SMS_MT par usager
• NC loc : Nombre de cellules dans la zone de localisation,
• Mp
: Nombre de messages de paging émis par appel
entrant (2à 4),
• N bl : nombre de blocs PCH utilisés par paging.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
198
99
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Nombre de TRX par cellule
Nombre de canaux
TCH
Nombre d’ ITs
SDCCH
Nombre de
canaux de
Diffusion
S
Nombre total d’ITs
/8
Nombre de TRX
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
199
Nombre de MIC Abis par cellule
• Nombre total d’ITs sur l’interface Abis
[/4/30]
• nombre de liens MIC E1
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
200
100
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Exercice
Une cellule d’un réseau GSM est équipée d’une BTS enregistre
un trafic de 15 Erlang. Sachant que les ressources TCH sont
attribuées aux mobiles en utilisant une file d’attente de 25
places. Le délai de traitement d’une demande de communication
est 50s, la probabilité d’avoir un canal TCH en un temps 10s doit
être supérieur à 90%.
1. Calculer le nombre minimal de canaux à installer sur la BTS,
en déduire alors le nombre de TRX.
2. Calculer la probabilité pour que les 25 places de la file
d’attente soient occupées.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
201
Dimensionnement BSC
• Capacité BSC déterminée par :
– Capacité de connexion,
– Capacité de traitement des informations des
BTSs et des MSCs.
• S’exprimes-en :
– Max_BTS : nombre maximum de BTSs
supportées et contrôlées.
– Max_TRX : nombre maximum de TRX,
– Max_Port : nombre maximum de ports d’E/S,
• Max_Sig : nombre maximum de liaisons de
signalisation.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
202
101
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Capacité des contrôleurs BSC
BSC n°1
BSC n°2
BSC n°3
Nombre
maximal
d’émetteurs récepteurs plein
débit
32
192
448
Nombre maximal de cellules
21
36
84
Nombre maximal de liaisons
A
(Liaisons
MIC
sur
l’interface A)
16
40
72
160
960
1 500
1
2
3
Capacité de trafic 5erlangs)
Nombre d’armoires
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
203
Interfaces Abis/A
• 1 Trame = 8 IT à 16 Kbps
• 4 ITs = 64 Kbps = 1 IT MIC
Interface Abis
4 ITs Um = 1 IT MIC
Interface A
4 ITs Um = 1 IT MIC
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
Réseaux GSM
204
102
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Dimensionnement du MSC
• Capacité d’un MSC déterminée par :
– Capacité de connexion (Commutation),
– Capacité de traitement des informations
reçues des BSCs, autres MSCs, HLR, …
• S’exprime en :
– Max_BSC : nombre maximum de BSC
supportés et contrôlés,
– Max_CA : nombre maximum de tentatives
d’appels,
– Max_Sig : nombre maximum de liens de
signalisation,
• Max_Port : nombre maximum de ports d’E/S.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
205
Dimensionnement des Trunk du MSC
IWF
CT1
BSC1
CTm
MSC
BSCn
RTC
VMS
EIR
MSC
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Télécoms 2022-2023
SMS
Réseaux GSM
206
103
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Chapitre 9
SERVICE DONNÉES
GPRS & EDGE
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Réseaux GSM
207
Le service données GSM
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Réseaux GSM
208
104
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Le service données GSM
•
•
Constituants du mobile (TE et MT)
– TE : partie terminale qui permet de stocker, de délivrer et
de recevoir des données; peut être interne ou externe au
mobile
– MT : partie terminaison en relation avec le réseau GSM
– Interface physique entre TE et MT :
• Type V.24 pour un terminal de série V
• Type X.21 pour un terminal de série X
Fonctions d ’adaptation du terminal (TAF)
– Interface fonctionnelle entre TE et MT
– Adaptation de débit dans les modes transparent et non
transparent dans le mobile
– Traitement d ’appel pour la transmission de données
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Réseaux GSM
209
Le service données
• Interconnexion avec le réseau PSTN
– Utilisation d ’un modem
•
•
•
•
•
•
Modem V21 : 300 bit/s asynchrone
Modem V22 : 1200 bit/s asynchrone - synchrone
Modem V22bis : 2400 bit/s asynchrone - synchrone
Modem V23 : 1200/75 bit/s asynchrone
Modem V26ter : 2400 bit/s asynchrone - synchrone
Modem V32 : 4800, 9600 bit/s asynchrone synchrone
• Modem V34 : 1200, 2400, 4800, 9600,14400 bit/s
asynchrone - synchrone
• Terminaux de série V normalisés par ITU_T
qui peuvent avoir un accès au réseau PSTN
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Réseaux GSM
210
105
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Le service données
• 2 modes de transmission des données :
– Mode transparent (V110)
•
•
•
•
Assure un flot continu d’information
Aucun contrôle d’erreur
Pas de retransmission des données
Contrôle de flux
– Mode non-transparent (RLP)
• Assure un transfert de données sans erreur
• Débit non constant
• Contrôle de flux
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Réseaux GSM
211
HSCSD
• HSCSD : High Speed Circuit Switched Data
• Évolution essentiellement logicielle du GSM
• Repose sur la possibilité d’allouer simultanément
plusieurs canaux physiques
 jusqu’à 4 canaux par trame ie 57,6 kbit/s en mode
transparent
• Peu de succès : a été utilisé seulement dans ~15 pays
 Allemagne, Autriche, Danemark, Grande Bretagne,
Hongrie, Luxembourg, Suisse
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Réseaux GSM
212
106
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Les limitations du GSM HSCSD
• GSM, HSCSD  réseau à commutation de circuits
• Piètre gestion des ressources radio :
 ligne monopolisée dans tout le réseau pour un trafic de
données de nature très sporadique
• Coût des communications :
 tarif fonction de la durée, pas de la quantité de données
 HSCSD : payer tous les canaux utilisés ?!
• Infrastructure lourde, peu flexible
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Réseaux GSM
213
Introduction au GPRS
• GPRS :“General Packet Radio Service”
• Nouveau service adapté à la transmission de
données en mode paquet dans les réseaux GSM
• le mode de transfert circuit est mal adapté
(capacité, coût, interconnexions avec les réseaux
externes)
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Réseaux GSM
214
107
Système de Communication Radio Mobile
GSM
GPRS : Principes
• En concevant le service GPRS, on a recherché à
réduire au strict minimum les impacts sur le
matériel existant :
– Réutilisation des éléments du réseau d'accès
GSM (BSS),
– Même couverture « potentielle »,
– Réseau cœur entièrement nouveau.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
215
GPRS : Principes
• Coté radio :Optimisation de l'utilisation des
ressources radio
– partage dynamique des ressources
• entre le service GSM et le service GPRS
• entre les mobiles GPRS (multiplexage)
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Réseaux GSM
216
108
Système de Communication Radio Mobile
GSM
GPRS : Principes
• Coté cœur :Interconnexion directe au
monde Internet et acheminement des
données en mode paquet
– Adapté aux usages d’Internet : le GPRS peut être
vu comme un prolongement du réseau externe
(Intranet, Internet) jusqu’au mobile.
– Adapté à une taxation au volume.
• Augmentation de débit (on « pourrait »
monter à 170 kbit/s en débit radio brut).
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Réseaux GSM
217
GPRS
• Le déploiement de GPRS n’est pas seulement
destiné aux réseaux de type GSM.
• Le standard américain
supporte GPRS.
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DAMPS
Réseaux GSM
(ANSI
IS136)
218
109
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Architecture GPRS
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Réseaux GSM
219
Nouvelles entités GPRS
•
SGSN :Serving GPRS Support Node
– Connecté à un ou plusieurs BSC
– Gestion des mobiles :authentification, chiffrement,
attachement au service, mobilité
– Relaie le trafic MO (Mobile Originated)et MT (Mobile
Terminated)
•
GGSN :Gateway GPRS Support Node
– Passerelle d'interconnexion du GPRS vers les réseaux
extérieurs (IP)
– Contient les informations de routage pour les abonnés
GPRS attachés et ayant activé un contexte PDP.
– Fonction de pare-feu
– Collecte les informations de taxation
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Réseaux GSM
220
110
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Nouvelles entités GPRS
• BG : Border Gateway
– passerelle entre PLMN (roaming)
– adapte les protocoles de routage
– fonctions de firewall
• PCU : Packet Control Unit
– Entité responsable du partage des ressources radio
et de la retransmission des données erronées sur la
radio
– Le PCU fait partie du BSS GPRS (mise à jour
matérielle et logicielle des BSS existants)
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Réseaux GSM
221
Unités PCU et TRAU
• Le PCU est l’interface du réseau cœur GPRS avec le sous
système radio BSS Le PCU convertit tous les paquets de
données en trames PCU, les trames PCU sont identiques au
trames TRAU
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Réseaux GSM
222
111
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Interface radio GPRS
• L’interface radio du GPRS s’appuie sur celle du GSM.
• Elle utilise les mêmes bandes de fréquences, la même
modulation, le GMSK (Gaussian Minimum Shift
Keying), et les mêmes canaux physiques. En revanche,
sa structure de multitrame est légèrement différente.
• De plus, le GPRS introduit de nouveaux canaux
logiques, avec davantage de souplesse dans le codage
protecteur d’erreur,
• une couche MAC (Medium Access Control), pour
partager dynamiquement les ressources radio entre
plusieurs utilisateurs, et un protocole de fiabilisation
du lien radio, le RLC (Radio Link Protocol).
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Réseaux GSM
223
Interface radio GPRS : Principes
• Partage statique ou partage dynamique des
ressources radio entre les utilisateurs (les
ressources
non
utilisées
sont
réallouées
dynamiquement)
• Partage statique ou partage dynamique des
ressources radio entre les abonnés GSM et GPRS
• Les ressources radio sont allouées “à la demande”
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Réseaux GSM
224
112
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Exemple d’allocation de timeslots
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Réseaux GSM
225
Partage dynamique des ressources
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Réseaux GSM
226
113
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Les canaux logiques GPRS
• Au-dessus des canaux physiques, se trouvent les
canaux logiques. Ces derniers permettent de séparer
les différents types d’information transmise :
signalisation, données, synchronisation, message de
diffusion, etc.
• Une cellule offrant à la fois des services GSM et
GPRS peut mutualiser ses canaux de broadcast. Le
PBCCH regroupe dans ce cas à la fois les
informations concernant le GSM et celles dédiées au
GPRS. Il en va de même pour les canaux de contrôle
commun (PRACH-RACH, PAGCH-AGCH, PPCH-PCH).
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Réseaux GSM
227
Les canaux logiques GPRS
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Réseaux GSM
228
114
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Structure multi trames
La multitrame de base du GPRS est définie
par l’occurrence d’un même canal
physique dans 52 trames successives, et
non 26 ou 51 comme dans le GSM. La
multitrame est organisée comme suit :
– 12 × 4 = 48 timeslots radio pour le transport
des données et de la signalisation ;
– 2 timeslots de contrôle de l’avance en temps
PTCCH;
– 2 timeslots idle.
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Réseaux GSM
229
Structure multi trames
• Les 48 timeslots radio sont divisés en 12 blocs
radio. Chaque bloc contient 4 timeslots, qui sont
pris dans 4 trames successives. Contrairement au
GSM, l’unité élémentaire allouée en GPRS est un
bloc, soit 4 slots GSM. Cette unité correspond à la
taille des blocs RLC-MAC.
• Un bloc RLC-MAC se transmet donc exactement
dans un bloc de la multitrame GPRS, soit 4 PDCH
sur 4 trames successives.
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Réseaux GSM
230
115
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Structure multi trames
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Réseaux GSM
231
Identifiants GPRS - PTMSI
De nouveaux identifiants sont définis pour etre
utilisés dans les différents protocoles GPRS:
• P-TMSI (Packet TMSI): c’est l’équivalent du TMSI
pour GSM. Il est nécessaire de disposer d’un
identifiant supplémentaire du mobile dans le
réseau parce que le mobile peut être à la fois actif
enj GPRS et en GSM. C’est pour cela on n’utilise
pas le TMSI pour les deux services
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Réseaux GSM
232
116
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Identifiants GPRS - TLLI
• TLLI (Temporary Logical Link Identity): Identité
temporaire qui identifie un mobile particulier pour
le SGSN. Choisi aléatoirement par le mobile à
l’initialisation d’un flux de données s’il ne s’est pas
encore vu allouer de P-TMSI. A chaque fois que le
mobile possède un P-TMSI valable, le TLLI est égale
au P-TMSI
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Réseaux GSM
233
Protocoles GPRS – Plan signalisation
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Réseaux GSM
234
117
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Protocoles GPRS
• SNDCP :SubNetwork Dependent Convergence
Protocol.
– Segmentation, compressions (entête et données).
• LLC : Logical Link Control
– TLLI, Temporary Logical Link Identifier.
• RLC et MAC :
– Radio Link Control (segmentation des données
LLC).
– Medium Acces Control (gestion des accès radio).
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Réseaux GSM
235
Protocoles GPRS – Plan Données
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Réseaux GSM
236
118
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Protocoles GPRS
• Un MS GPRS gère deux des piles de protocoles
situés dans deux plans différents :
– plan de signalisation.
– plan de transmission.
• Le plan de signalisation sert à assurer la gestion de
la mobilité (MM : Mobility Management),
• Quant au plan de transmission, il sert à transférer
toutes les données utilisateurs.
• Cependant, seuls les sommets de ces deux piles
diffèrent.
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Réseaux GSM
237
Couche Réseau
• Elle fournit un paquet (en-tête + données) à la
couche inférieure SNDCP
SNDCP
Couche SNDCP
• Les segments obtenus ne doivent pas dépasser
1200 octets et sont fournis à la couche LLC
Couche LLC
• transmet les trames formées à la couche RLC /
MAC.
LLC
Couche RLC / MAC
• Elle découpe chaque trame reçue en blocs après
avoir ajouté une en-tête, un champ de contrôle
d’erreur et un champ de bits de traînée à chaque
morceau, puis transmet les blocs à la couche
physique.
• Enfin, c’est elle qui contrôle l’accès aux canaux en
réalisant le multiplexage temporel TDMA.
RLC MAC
Couche PLL
• Elle réalise alors, pour chaque bloc, un codage de
canal CS1 à CS4 afin de réaliser des blocs encodés de
longueur fixée à 456 bits qui doivent être placés
dans des trames TDMA successives.
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Réseaux GSM
238
119
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Couche PLL (Physical Link Layer)
•
•
•
•
fait le lien entre la couche MAC et le modem.
transporte les paquets RLC/MAC.
réalise le codage du canal.
surveillance et évaluation de la qualité du signal
radio.
• gestion de la batterie.
• contrôle de la puissance de transmission.
• détecte la congestion sur le canal.
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Réseaux GSM
239
Codage convolutionnel.
• La couche PLL réalise un codage convolutionnel
avec poinçonnage, et dont le principe est le suivant :
CS
Taux
i
BCS
BH
Tail
Bloc
encodé
Poinçonnage
Débit
Kbps/s
CS-1:
1/2
181
40
3
4
456
0
9.05
CS-2:
2/3
268
16
6
4
588
132
13.4
CS-3:
3/4
312
16
6
4
676
220
15.6
CS-4:
1
428
16
12
0
456
0
21.4
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Réseaux GSM
240
120
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Débit
•
•
•
Débits bruts à l’interface radio pour un intervalle de temps
CS
1 Timeslot
2 Timeslots
8 Timeslots
CS-1
9.05 Kbps
18.1kbit/s
72.4 kbit/s
CS-2
13.4 Kbps
26.8 kbit/s
107.2 kbit/s
CS-3
15.6 Kbps
31.2 kbit/s
124.8 kbit/s
CS-4
21.4 Kbps
42.8 kbit/s
171.2 kbit/s
Débits bruts à l’interface radio pour un intervalle de temps
Le réseau alloue dynamiquement les intervalles de temps (IT)
aux mobiles (jusqu’à huit IT simultanément),soit une capacité
maximum de 170 kbit/s (ou 115 kbit/s débit utile)
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
241
Couche MAC (Medium Acces Control)
• permet aux terminaux mobiles de partager le canal
commun
de
transmission,
c'est-à-dire
le
multiplexage temporel TDMA qui permet d’utiliser
plusieurs time slots dans une trame TDMA. .
• réalise les différents canaux logiques nécessaires
pour le partage du médium commun de
transmission par différents terminaux mobiles.
• permet à un terminal mobile (MS) d’utiliser
plusieurs canaux physiques (PDCH : Packet Data
CHannel) en parallèle.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
242
121
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Couche MAC (Medium Acces Control)
• contrôle l’accès aux canaux radio (messages de
signalisation de type demande et allocation de
canal).
• fournit les procédures de file d’attente et
d’ordonnancement pour un trafic de données
entrant vers le terminal.
• contrôle les débits de download et d’ upload.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
243
Le protocole RLC (Radio Link Control)
• Il réalise la segmentation et réassemblage des
paquets LLC PDU en blocs RLC/MAC.
• fonctionne en mode acquitté et non acquitté selon
la qualité de services demandée.
• détection des paquets RLC erronés.
• retransmission des paquets RLC erronés si le mode
acquitté est requis.
• contrôle la liaison radio et fournit un lien fiable
dépendant de la technologie radio utilisée (le
contrôle d’erreurs et le contrôle de flux sont
adaptés aux canaux GSM).
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
244
122
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Protocole LLC (Logical Link Control)
• fournir un lien logique fiable et sécurisé le
terminal mobile et le SGSN.
• transporte les paquets de données utilisateur
(PDU SNDCP), ou la signalisation entre le terminal
mobile et le SGSN.
• réalise des fonctions de chiffrement, de contrôle de
flux, de contrôle de séquence.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
245
Protocole LLC (Logical Link Control)
• permet de faire une distinction de qualité de
services entre les différents types d’utilisateurs.
• fonctionne en mode acquitté et non acquitté.
• fournit la détection et la correction des erreurs de
transmission, s’il est utilisé en mode acquitté.
• signale uniquement les erreurs sans les corriger,
s’il est utilisé en mode non acquitté.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
246
123
Système de Communication Radio Mobile
GSM
protocole SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol)
• transporte de façon transparente les unités de
données de la couche de protocole réseau utilisée
par l’application (IP ou X.25), à savoir qu’un
changement de protocole de couche réseau
n’induit pas un changement de toutes les couches
de protocoles GPRS, mais seulement du SNDCP.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
247
protocole SNDCP (SubNetwork
Dependent Convergence Protocol)
• gère la compression et décompression des en-têtes,
de façon à augmenter l’efficacité des canaux.
• gère la compression et décompression des données.
• assure le respect de la séquence des messages, la
segmentation et la reconstitution des paquets de
données pour fournir des blocs de données de taille
acceptable pour le protocole LLC.
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
248
124
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Protocole GMM (1)
• Le protocole GMM (GPRS Mobility Management)
entre la station mobile et le SGSN est similaire au
protocole MM du GSM. Il assure les procédures
suivantes:
– gère l’itinérance du terminal dans le réseau
GPRS
– Attachement au réseau GPRS ou attachement
combiné aux réseaux GPRS et GSM (Attach).
– Détachement du réseau GPRS, du réseau GSM
ou détachement combiné des réseaux GPRS et
GSM (Detach).
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
249
Protocole GMM (2)
– Allocation de P-TMSI (GPRS) ou TMSI (GSM) ou
allocation combinée d'un P-TMSI et d'un TMSI
(P-TMSI Reallocation).
– Authentification et chiffrement (Authentication
And Ciphering).
– Mise à jour de zone de routage ou mise à jour
combinée de zone de routage GPRS et zone de
localisation GSM (Routing Area Update).
– Demande d'identité (e.g., IMSI, IMEI) (Identity).
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Réseaux GSM
250
125
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Gestion de la mobilité
Éteint
• Il n’est pas connu du réseau. Cet état n’apparaît pas dans le standard.
Idle
• Le mobile est allumé mais détaché du réseau GPRS. En pratique, cela
correspond à un mobile éteint : les appels entrants sont déroutés sur un
répondeur.
Standby
• Le mobile est attaché au réseau GPRS et peut recevoir des appels
entrants par paging. Il est localisé, à la zone de routage près, par le
réseau GPRS. Le mobile effectue des mises à jour de localisation lorsqu’il
change de zone de routage.
Ready
• Le mobile est en cours de communication et a au moins un TBF ouvert.
Le réseau le localise à la cellule près.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
251
Gestion de la mobilité
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
252
126
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Protocole GTP (1)
• GTP (GPRS Tunneling Protocol) est le protocole
d'encapsulation du trafic IP de l'utilisateur dans le
réseau IP de l'opérateur entre le SGSN et le GGSN.
• Dans ce plan, GTP réalise les procédures suivantes :
– Path management : Elle permet aux GSNs
d’échanger les messages Echo- Request et EchoResponse afin de détecter rapidement des fautes
survenant sur un chemin de transport TCP/IP ou
UDP/IP entre les GSNs.
– Tunnel management : Elle permet de créer,
modifier et supprimer des tunnels.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
253
Protocole GTP (2)
• Dans ce plan, GTP réalise les procédures suivantes :
– Location management : Elle permet à un GGSN n’ayant
pas d’interface MAP/SS7 de communiquer avec un HLR.
Dans ce cas, l’interaction entre le GGSN et le HLR est
réalisée indirectement à travers un noeud GSN spécifique
qui réalise la conversion de protocole GTP-MAP. Cette
procédure est nécessaire si le GGSN souhaite initier
l'activation de contextes PDP. Pour ce faire, il doit interroger
le HLR pour obtenir l'adresse IP du SGSN courant de la
station mobile.
– Mobility management : Elle supporte des fonctions entre
SGSNs utilisées pour les procédure d’attachement et de
mise à jour de RA Inter-SGSN.
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Réseaux GSM
254
127
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Protocole SM
• Le protocole SM permet au mobile de demander au
réseau un contexte appelé contexte PDP, dans le
SGSN et le GGSN. Ce contexte va servir aux deux
entités à router les paquets en provenance du
mobile ou destinés à celui-ci sans devoir consulter
les bases de données de localisation.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
255
Protocole SM
• Un context PDP comprend principalement:
– Le type de réseau (X25, IP…)
– L‘adresse PDP du mobile (adresse IP par exemple)
– L’adresse IP du SGSN gérant la cellule ou se
trouve le mobile.
– Le point d’accès au service réseau utilisé (NSAPI:
Network Service Access Point)
– La qualité de service négociée.
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Réseaux GSM
256
128
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Contexte PDP
• La connexion à un réseau externe est réalisée par
l’intermédiaire d’un contexte PDP
• Un mobile peut activer plusieurs contextes PDP
simultanément
– ex :connexion à un réseau d’entreprise et à un
serveur de messagerie en parallèle
• Un contexte PDP représente une connexion logique
entre un MS et un GGSN, qui peut être prolongé
vers le réseau externe par un tunnel.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
257
Contexte PDP
• Chaque IMSI fait référence à un ou plusieurs
enregistrements de souscription de contexte PDP :
– PDP Context Identifier : Index du contexte PDP
– PDP Type : Type de PDP, e.g., IP.
– PDP Address : Adresse PDP, e.g., une adresse IPv4 ou
IPV6. Ce champ est vide si l’adressage est dynamique.
– Access Point Name : Un label décrivant le point d’accès au
réseau de commutation de paquet externe.
– QoS Profile Subscribed : Le profil de QoS requis pour ce
contexte PDP.
– VPLMN Address Allowed : Spécifie si la MS est autorisée à
utiliser ce contexte PDP lorsqu’elle se rattache à un réseau
autre que son réseau nominal.
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Réseaux GSM
258
129
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Activation d’un contexte PDP
• Un abonnement
GPRS contient une
ou plusieurs adresse
PDP (Packet Data
Protocol).
– Adresse IPv4 ou IPv6.
– Adresse X.121.
• Chaque adresse est
décrite par un
contexte PDP qui
peut être actif ou
inactif.
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
259
Activation PDP avec mise à jour de
localisation
Pr. J. ELABBADI / EMI
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Réseaux GSM
260
130
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Activation d’un contexte PDP à
l’initiative du réseau
Pr. J. ELABBADI / EMI
Réseaux GSM
261
Diagramme de flux
Pr. J. ELABBADI / EMI
Dept. Génie Electrique - Filiere Réseaux et
Télécoms 2022-2023
CM : Connection Management
MM : Mobility Management
GMM : GPRS Mobility Management
Réseaux
GSM
SM
: Session
Management
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131
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Contextes PDP et APN
• L’APN (Access Point Name) indique le service
auquel on veut s’attacher
– ex :iam.ma, wap.iam.ma, aol.com (nom fixé par
l’opérateur et n’ayant pas forcément de
correspondance avec le nom internet)
• L’APN est composé de deux parties comme suit :
– L’ “APN Network Identifier” qui définit le réseau
externe auquel est connecté le GGSN.
– L’ ”APN Operator Identifier” qui définit le réseau
GPRS du GGSN.
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Réseaux GSM
263
Contexte PDP
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Réseaux GSM
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132
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Contexte PDP et QoS
• Pour exprimer la qualité de service, le
mobile dispose d’un ensemble de classes de
paramètres :
–
–
–
–
–
la priorité du service
la fiabilité
les délais tolérés,
le débit moyen
le débit pic des informations transmises.
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Réseaux GSM
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Classes de fiabilité
Probabilité pour
Classe
Paquet
perdu
Paquet
dupliqué
Paquet hors
séquence
Paquet
corrompu
1
10-9
10-9
10-9
10-9
2
10-4
10-5
10-5
10-6
3
10-2
10-5
10-5
10-2
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Réseaux GSM
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133
Système de Communication Radio Mobile
GSM
Classes de délai
Paquet de 128
octets
Classe
Paquet de 1024
octets
Délai moyen
Délai à 95%
Délai moyen
Délai à 95%
1
<0,5 s
<0,5 s
<2 s
<7 s
2
<5 s
<25 s
<15 s
<75 s
3
<50 s
<250 s
<75 s
<375 s
4
Au mieux Au mieux Au mieux Au mieux
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Réseaux GSM
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Classes de mobiles GPRS
• Classe A :Utilisation simultanée des services GPRS
et GSM.
• Classe B :Utilisation alternée des services GPRS et
GSM.
• Classe C :Services GPRS uniquement. Possibilité
de réception de services GSM.
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134
Système de Communication Radio Mobile
GSM
EDGE - Enhanced Data Rates for GSM
Evolution
• C’est une évolution de l’interface radio qui autorise
le débit de 59.2 Kbps par time slot.
• Modulation utilisée : 8 PSK.
• Les coûts de déploiements pour les opérateurs sont
donc beaucoup plus importants que pour HSCSD
ou GPRS.
• EDGE est intéressant pour les opérateurs n’ayant
pas investi dans une licence UMTS (3 ième
génération).
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Réseaux GSM
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Slots EDGE
• Modulation 8PSK : 3 bits par symbole.
• Taux de modulation 270,833 Kbaud/s.
• Taille Burst :156,25 symboles = 577 µs.
• Le débit utile est de 3.(2.58)/577.10-6 soit environ
600 Kbps.
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Réseaux GSM
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Système de Communication Radio Mobile
GSM
Schémas de codage et débits
• CSD et GPRS sur EDGE sont appelés :
– Enhanced CSD et Enhanced GPRS.
Schéma
Taux de codage
Famille
Débit (Kbps)
MCS-9
1.00
A 8 PSK
59.2
MCS-8
0.92
A 8 PSK
54.4
MCS-7
0.76
B 8 PSK
44.8
MCS-6
0.49
A 8 PSK
29.6 / 27.2
MCS-5
0.37
B 8 PSK
22.4
MCS-4
1.00
C GMSK
17.6
MCS-3
0.80
A GMSK
14.8 / 13.6
MCS-2
0.66
B GMSK
11.2
MCS-1
0.53
A GMSK
8.8
Réseaux GSM
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Evolved EDGE
• conçu pour apporter un certain nombre d'améliorations
à EDGE.
• La latence a été diminuée en divisant par deux
l'intervalle de transmission (Transmission Time Interval),
en le passant de 20 ms à 10 ms).
• La bande passante théorique maximale a évolué jusqu'à
1 Mbit/s et la latence a été réduite à 80 ms en utilisant
deux porteuses,
• une fréquence de symboles plus élevées, des codages
plus complexes (32QAM et 16QAM à la place de 8-PSK)
• Utilisation des turbo codes pour améliorer la correction
d'erreurs.
• D'autre part, la qualité du signal a été améliorée en
utilisant des antennes dipôles.
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