50584761-COURS-GSM-TRII-CFP-2010

REPUBLIQUE DU BENIN

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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

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CENTRE DE FORMATION PROFESSIONNELLE

FILIERE : Télécommunications-Réseaux II

OPTIONS : Réseaux Télécoms & Téléinformatique II

MODULE :

PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DES RESEAUX GSM

Formateurs :

AFOKPE G. Jean

AGOSSOU Y. Florentin

ANNEE ACCADEMIQUE 2009-2010

PRINCIPES DE BASE DU FONCTIONNEMENT DES RESEAUX MOBILE GSM

Jean G. AFOKPE

Florentin Y. AGOSSOU

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INTRODUCTION

L’exigence de mobilité des activités humaines de plus en plus accrue a

engendré l’avènement des systèmes de téléphonie mobile dont le support d’accès

est l’onde radioélectrique. Ces systèmes ne sont pas nés tels qu’ils se présentent

aujourd’hui. Ainsi plusieurs générations se sont succédées. On distingue en effet

les systèmes de téléphonie mobile de première génération basée sur des

techniques de transmission analogiques et les systèmes de téléphonie mobile de

deuxième génération basée sur les techniques de transmission numériques. De

ces systèmes de deuxième génération sont issus divers systèmes de

télécommunication mobile de troisième génération.

Des technologies de téléphonie mobile de deuxième génération, le GSM est

et demeure la plus déployée dans le monde.

Ce cours a pour objectif de permettre aux participants de se familiariser

avec la norme GSM à travers son historique, ses motivations, son architecture et

les concepts de base des réseaux GSM.


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CHAPITRE I : GENERALITE SUR LES RESEAUX GSM

I- HISTORIQUE ET MOTIVATIONS

A- HISTORIQUE

L'histoire de la téléphonie mobile (numérique) débuta réellement en 1982.

En effet, à cette date, le Groupe Spécial Mobile, appelé GSM, est créé par la

Conférence Européenne des administrations des Postes et Télécommunications

(CEPT) afin d'élaborer les normes de communications mobiles pour l'Europe

dans la bande de fréquences des 900MHz déjà réservée depuis 1978 par la

Conférence Mondiale des Radiocommunications (WARC).

Notons que les années 80 avaient déjà vu le développement du numérique

tant au niveau de la transmission qu'au niveau du traitement des signaux, avec

pour dérivés des techniques de transmission fiables, grâce à un encodage

particulier des signaux préalablement à l'envoi dans un canal, et l'obtention de

débits de transmission raisonnables pour les signaux.

Ainsi, on a eu chronologiquement :

1985-86 : Accord quadripartite (France, Allemagne, Italie, Grande-Bretagne) pour

promouvoir le numérique et l'ouverture en 1991.

1986 : Sous-groupes techniques :

- GSM1 : Services,

- GSM2 : Aspects physiques de l'interface radio,

- GSM3 : Signalisation,

- GSM4 : Services de données.

1 Juillet 1987 : Adoption de la norme radio au GSM.

Août 1987 : Création du MoU (Memorandum of Understanding : protocole

d'accord) lie les futurs exploitants GSM sur les principes de développement et

d'exploitation du GSM.

1987-88 : Adoption des interfaces réseaux au GSM. Le groupe Spécial Mobile

GSM fixe les choix relatifs à l’usage des Télécommunications mobiles à savoir :

- une transmission numérique,

- un multiplexage Temporel des canaux radio,

- un chiffrement des informations,

- un codage de la parole.

Le sigle GSM changea de signification et devient « Global System for Mobile

Communications ».

1988 : Transfert de responsabilité de la CEPT à l'ETSI Participation des

industriels.

Mars 1990 : "Gel" des spécifications GSM.

1991 : 100 recommandations (plus de 5000 pages) sont éditées en 12 séries.


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Juillet 1991 : Première communication MS GSM abonné RTCP.

4 Octobre 1991 : Première communication GSM avec handover. Premiers

mobiles GSM d’Alcatel, Motorola et Orbitel.

Décembre 1991 : Premiers réseaux expérimentaux (Paris ; …).

Juillet 1992 : Ouverture commerciale des réseaux (France, Allemagne, ...).

B- MOTIVATIONS

Les motivations de l’avènement de la norme GSM sont nombreuses. Il s’agit

notamment de :

o Demande croissante en communications mobiles ;

o Limitation du nombre de fréquences allouables ;

o Améliorations techniques ;

o Norme internationale unique ;

o Compatibilité des équipements + roaming international ;

o Même terminal utilisable dans tous les pays ;

o Intégration des composants => Réduction de taille ;

o Economies d'échelle => Réduction de coût ;

o Techniques numériques => Capacité plus importante et meilleure qualité de service ;

o Chiffrement des communications et authentification ;

o Confidentialité et sécurité d'accès ;

o Réutilisation des fréquences et multiplexage (FDMA/TDMA) ;

o Transmission numérique (plus grande intégration) ;

o Services de type RNIS.

Tous ces éléments ont favorisé l’essor des réseaux GSM à travers le monde entier.

II- EVOLUTION TECHNOLOGIQUE DE LA NORME GSM

Le réseau GSM est adéquat pour les communications téléphoniques de

parole. En effet, il s'agit principalement d'un réseau commuté, à l'instar des réseaux

``fixes’’ et constitués de circuits, c'est-à-dire de ressources allouées pour la totalité de

la durée de la conversation. Rien ne fut mis en place pour les services de

transmission de données. Or, parallèlement au déploiement du GSM, les réseaux de

transmission de données se développaient avec l’avènement du réseau mondial

appelé Internet.

Plusieurs aménagements ont donc été effectués pour permettre aux usagers

des réseaux GSM de pouvoir transmettre des données à un débit acceptable ; Ainsi,

comme le réseau GSM ne convenait guère pour la transmission de données, les

évolutions récentes ont visé à accroître la capacité des réseaux en termes de débit

tout en élargissant les fonctionnalités en permettant par exemple l'établissement de

communications ne nécessitant pas l'établissement préalable d'un circuit.


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Pour dépasser la borne des 14,4 kb/s, débit nominal d'un canal téléphonique

basculé en mode de transmission de données, l'ETSI a défini un nouveau service de

données en mode paquet : le General Packet Radio Service (GPRS) qui permet

l'envoi de données à un débit théorique de 171,2 kbits/s par mise en commun de

plusieurs canaux. Le GPRS a été lui aussi réaménagé pour donner le EDGE

(Enhanced Data rates for GSM Evolution) qui permet d’atteindre des débits

théoriques de 474Kbits/s. D'une certaine manière, le GPRS préparait déjà l'arrivée

de la téléphonie de troisième génération, appelée Universal Mobile

Telecommunications System (UMTS), qui permettra d'atteindre un débit de 2 Mb/s.


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CHAPITREII : ARCHITECTURE DES RESEAUX GSM

I- STRUCTURE DU RESEAU

L’architecture des réseaux GSM est organisée autour de trois sous

systèmes :

o Le sous système radio BSS (Base Station Sub-system)

o Le sous système réseau NSS (Network Sub-system

o Le sous système d’exploitation et maintenance OSS (Operation Sub-System).

La figure suivante présente une vue synoptique d’un réseau GSM.


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II- LES SOUS SYSTEMES DU GSM

A- LE SOUS SYSTEME RADIO BSS (Base Station Sub-system)

Le sous système radio est l’ensemble constitué par les stations de bases

(BTS), les contrôleurs de stations de base (BSC) et les transcodeurs du réseau

GSM.

1- Mobile MS et Station de Base

a) Mobile Station MS

L’ensemble Mobile + carte SIM constitue la station mobile. On en distingue

trois types :

- Embarqué : Classe 1 (20 W) - Portable : Classe 2 (8 W) - Portatif: Classe 3 (5 W), Classe 4 (2 W) et Classe 5 (0.8 W). Tout mobile est un ensemble de quatre modules à savoir :

- Module radio : il assure l’émission, la réception, la modulation, la

démodulation et la synthèse des fréquences.

- Module de Traitement : il contrôle le module radio, assure le traitement du

signal, le codage et le décodage des informations, le chiffrement, la protection et

la correction des erreurs.

- Module d’Alimentation : il sert d’interface entre la batterie et le circuit

d’alimentation électrique du mobile.

- Module d’interface Usager : il est constitué du clavier, écran et du logiciel

d’interface Homme-Machine.

L’antenne, interne ou externe assure l’interfaçage physique du mobile avec le

réseau.


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Les MS sont complexes du fait du nombre élevé de lignes de codes (les MS

TACS /AMPS ont 10 000 Lignes de code, les MS GSM 100 000 et les MS 3G

1 000 000 lignes de code).

Leur importance est d’autant grande qu’ils ont 40-50% d’impact sur la qualité de

service.

La principale fonction de la carte SIM est de contenir et de gérer une série

d'informations. Elle se comporte donc comme une mini-base de données dont les

principaux champs sont fournis dans le tableau suivant :

Paramètres Commentaires

Données administratives

PIN/PIN2 Mot de passe demandé à chaque connexion

PUK/PUK2 Code pour débloquer une carte

Langage Langue choisie par l'utilisateur

Données liées à la sécurité

Clé Ki Valeur unique, connue de la seule

carte SIM et du HLR

CKSN Séquence de chiffrement

Données relatives à l'utilisateur

IMSI Numéro international de l'abonné

MSISDN Numéro d'appel d'un téléphone GSM

Données de ``roaming''

TMSI

Numéro attribué temporairement par

le réseau à un abonné

Location updating status Indique si une mise à jour de la localisation

est nécessaire

Données relatives au réseau

Mobile Country Code (MCC),

Mobile Network Code (MNC), etc

Identifiants du réseau mobile

de l'abonné

Numéros de fréquence absolus Fréquences utilisées par le PLMN

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGPIN

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGPUK

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGIMSI

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGMSISDN

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGroaming

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGTMSI

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGMCC

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGMNC

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGPLMN


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La figure ci-dessus présente les deux formats de cartes SIM :

L'identification d'un mobile s'effectue exclusivement au moyen de la carte

SIM. En effet, elle contient des données spécifiques comme le code PIN (Personal

Identification Number) et d'autres caractéristiques de l'abonné, de

l'environnement radio et de l'environnement de l'utilisateur.

L'identification d'un utilisateur est réalisée par un numéro unique (IMSI,

International Mobile Subscriber Identity) différent du numéro de téléphone

connu de l'utilisateur (MSISDN, Mobile Station ISDN Number), tous deux étant

incrustés dans la carte SIM.

b) Base Transceiver Station (BTS)

Elle permet le dialogue avec le mobile sur l'interface Air (aussi appelée interface

Radio ou interface Um). Ses principales fonctions sont :

- Contrôle de la couche physique (couche 1 de l'interface radio) :

transmission de la parole et des données, transmission discontinue, ordres

de contrôle de puissance et de handover...

- Mesures des interférences sur les canaux non alloués à des communications

(idle channels) ;

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

du handover ;

- Calcul du Timing Advance (avance de temps) pour la synchronisation

temporelle, selon la distance qui sépare la BTS du mobile ;

- Détection des demandes d'accès des mobiles reçus sur le canal de contrôle

commun (RACH) ;

- Détection des messages de handover access (HO ACCESS).

La station de base BTS est équipée d’un ensemble d’émetteurs récepteurs

TRX qui fonctionnent sur des points de fréquences et assurent la couverture

radio électrique d’une zone de couverture appelée cellule. Ils assurent :

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGPIN

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGIMSI

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGMSISDN


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- L’Emission/Réception radio (Modulation, démodulation, égalisation,

entrelacement) ;

- La gestion de la couche physique (Emission en TDMA, saut de fréquence

lent, codage, chiffrement) ;

- La gestion de la couche liaison (LAPDm).

Le nombre de TRX par cellule est limité à 16.

On distingue deux types de BTS :

• BTS omnidirectionnelles possédant une seule antenne rayonnant de la même

manière dans toutes les directions et

• BTS sectorielles ayant deux ou trois secteurs (cellules) géré chacun par une

antenne ; les antennes sont donc installées de sorte à avoir un écart de 120°

par entre deux antennes quelconques. Graphiquement, on représente une

cellule par un hexagone car cette forme approche celle d'un cercle.

Cependant, en fonction de la nature du terrain et des constructions, les

cellules n'ont pas une forme circulaire.

Cellule de BTS Omnidirectionnelle Cellules de BTS Sectorielle

La figure suivante présente les éléments composant une BTS.

O


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PDM=Power Distribution Module

CMM=Control and Maintenance Module

FCU=Fan Control Unit

AEM=Antenna Equipment Module

LMT=Local Maintenance Terminal

Les tableaux suivants présentent différentes classes de BTS et leurs puissances.

Classe de BTS GSM et puissances correspondantes

CLASSE PUISSANCE (W)

GSM 900 DCS 1800

1 320 20

2 160 10

3 80 5

4 40 2 ,5

5 20

6 10

7 5

8 2,5

Classe de micro BTS GSM et puissances correspondantes

CLASSE PUISSANCE (W)

Puissance Moyenne Puissance Maximum

M1 0,08 0,25

M2 0,03 0,08

M3 0,01 0,03

2- Le BSC (Base Station Controler)

Le contrôleur de station de base BSC est l’élément central du sous système

BSS, il assure :

L’attribution et la libération des ressources radio ;

La commande des niveaux de puissance des BTS et des stations mobiles

en utilisant les rapports envoyés par les BTS ;

Le transport, éventuellement transparent, des communications et des

signalisations vers le MSC ;

L’exécution du Handover ;

La collecte et le traitement des mesures remontées par les BTS.


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Un BSC gère quelques dizaines à quelques centaines de BTS mais son

dimensionnement s’effectue en fonction du nombre de TRX.

Un élément très important du sous-système BSS est le transcodeur TC ou

TRAU (Transcoder Rate Adaptation Unit) ; c’est un équipement qui assure la

conversion entre le codage de la parole spécifique au GSM et le codage standard

sur le réseau fixe, ainsi que l’adaptation au débit.

Fonctionnellement intégré à la BTS, le TRAU est pourtant souvent installé

à proximité du BSC ou du MSC pour des raisons d’économie en liens de

transmission. Ceci permet de multiplier jusqu’à quatre connections simultanées

sur un canal à 64 kb/s.

Situation du transcodeur dans un réseau GSM

B- LE SOUS-SYSTEME RESEAU NSS (Network Sub-System)

Le rôle principal de ce sous système est de gérer les communications entre

les abonnés et les autres usagers qui peuvent être d’autres abonnés, des usagers

sur le réseau RNIS ou des usagers de réseaux téléphoniques fixes. Il est composé

des éléments suivants :

1- Le MSC (Mobile-service Switching Center) :

Le MSC ou centre de commutation mobile gère l’établissement des

communications entre un mobile et un autre MSC, la transmission des messages

court et l’exécution du handover lorsqu’il y est impliqué. Il dialogue avec le VLR

pour gérer la mobilité des usagers : vérification des caractéristiques des abonnés

visiteurs lors d’un appel départ, transfert des informations de localisation,…


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Un commutateur fournit aux abonnés trois familles de services qui sont :

Des services de supports

Des télé-services

Des services supplémentaires

Lorsqu’un abonné du réseau fixe (RTCP) désire appeler un abonné GSM,

le central du RTCP raccordera l’appel à une passerelle (gateway), un appel entre

MS utilise également la fonction.

Ce gateway est souvent réalisé dans un MSC, ce dernier est alors appelé

« gateway MSC » (GMSC) et il peut s’agir de n’importe quel MSC du réseau

GSM.

Le GMSC doit déterminer la localisation du MS appelé, ce qui se fait en

interrogeant le HLR où le MS est enregistrée. Le HLR répond en indiquant

l’adresse du MSC où le MS se trouve actuellement, le GMSC peut alors

réacheminer l’appel vers le MSC adéquat. Lorsque l’appel arrive au MSC, le VLR

saura de façon plus précise l’endroit où le MS appelé se situe et l’appel pourra

être établi.

2- Le HLR (Home Location Register)

Le HLR ou enregistreur de localisation nominal est la base de données qui

gère les abonnés d’un PLMN donnée. D’une part, il mémorise les caractéristiques

de chaque abonné :

L’identité internationale de l’abonné utilisée par le réseau (IMSI).

Le numéro d’annuaire de l’abonné (MSISDN).

Le profil de l’abonnement (services supplémentaires autorisés,

autorisation d’appel international,…).

D’autre part, c’est une base de données de localisation. Il mémorise pour

chaque abonné le numéro du VLR où il est enregistré, même dans le cas où

l’abonné se connecte sur un PLMN étranger. Cette localisation est effectuée à

partir des informations émises par le terminal à travers le réseau.

L’implantation du HLR peut être centralisée ou décentralisée. Dans le

premier cas, un HLR peut gérer plusieurs centaines de milliers d’abonnés et il

constitue une machine spécifique. Dans le deuxième cas, il peut être intégré dans

les MSC et les données d’un abonné sont alors stockées sur le MSC où il

communique préférentiellement.

Les échanges de signalisation sont ainsi minimisés. Dans tous les cas

d’implantation, à chaque abonné est associé un HLR unique, de façon

indépendante de la localisation momentanée de cet abonné. Le réseau identifie le

HLR à partir du numéro MSISDN ou de l’identité IMSI de l’abonné.


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3- Le VLR (Visiteur Location Register)

Le VLR ou enregistreur de localisation visiteur est une base de données

dynamique qui mémorise les données d’abonnement des abonnés présents dans

une zone géographique. Plusieurs MSC peuvent être reliés au même VLR, mais

en général, il y en a un seul par VLR.

Les données mémorisées par le VLR sont similaires aux données du HLR,

mais concernent seulement les abonnés mobiles présents dans la zone

considérée. Vient se rajouter l’identité temporaire TMSI, le VLR peut avoir une

information de localisation plus précise que le HLR.

La séparation matérielle entre le VLR et le MSC proposé par la norme n’est

que rarement respectée, certains constructeurs intègrent le VLR dans le MSC.

Les dialogues nécessaires pour l’établissement d’appel sont alors

simplifiés. D’autres établissent un découpage différent entre MSC et VLR en

utilisant l’approche « réseau intelligent». Le MSC est alors un commutateur pur

sans fonction de traitement d’appel. Un équipement, le RCP (Radio Control

Point), assure les fonctions de commande du MSC et du VLR sans posséder de

fonction de commutation.

Un ensemble de MSC/VLR peut gérer de l’ordre d’une centaine de

milliers d’abonnés pour un trafic moyen par abonné de 0.025 Erlang.les MSC

sont en général des commutateurs de transit du réseau téléphonique sur lesquels

ont été implantés des fonctions spécifiques au réseau GSM.

4- AuC (Authentication Center)

Le centre d’authentification AuC, mémorise pour chaque abonné une clé

secrète Ki associée à l’IMSI et utilisée pour authentifier les demandes de service

et pour chiffrer les communications. Un AuC est en général associé à chaque

HLR, auquel il envoie les triplets d’authentification. L’ensemble peut être intégré

dans un même équipement.

5- EIR (Equipement Identity Register)

L’EIR, est une base de données annexe contenant des identités des

terminaux (IMEI : International Mobile Equipment Identity). Elle peut être

consultée lors des demandes de service d’un abonné pour vérifier que le terminal

utilisé est autorisé à fonctionner sur le réseau.

L’identité d’un terminal contient un numéro d’homologation commun à

tous les terminaux d’une même série, un numéro identifiant l’usine d’assemblage

et un numéro spécifique au terminal.

L’EIR peut contenir trois listes :


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- Liste blanche de l’ensemble des numéros d’homologation,

- Liste noire des équipements volés et interdit d’accès,

- Liste grise des terminaux présentant des dysfonctionnements insuffisants

pour justifier une interdiction totale.

Le réseau peut mémoriser l’identité IMSI d’un abonné utilisant un terminal

inscrit en liste noire ou grise et la transférer au système d’administration pour

permettre d’identifier les accès frauduleux.

6- Autres entités du NSS

Serveurs :

SMS-C : Short Message Service Center assure la gestion des services de

messagerie court ;

MMS-C : Multi Média Message Service Center assure la messagerie

multimédia ;

VMS-C : Voice Message Service Center pour la gestion des services de

messagerie vocale ;

CCBS : Customer Care and Billing System assurant la gestion de

l’enregistrement des abonnés post-payés, la gestion des cartes SIM, la

facturation,…

IN : Intelligent Network assure la gestion des abonnés pré-payés.

C- LE SOUS SYSTEME D’EXPLOITATION ET DE MAINTENANCE OSS

L’OSS, Operation Sub-System est l’interface de gestion de tout le réseau GSM

L’administration de réseau comprend toutes les activités qui permettent de

mémoriser et de contrôler les performances et l’utilisation des ressources de

façon à offrir un certain niveau de qualité aux usagers. Les différentes fonctions

d’administration comprennent :

L’administration commerciale (déclaration des abonnés, des terminaux,

facturations, statistique).

La gestion de la sécurité (détection d’intrusion, niveau d’habilitation).

L’exploitation et la gestion des performances (observations du trafic et de

la qualité, changement de configuration pour s’adapter à la charge du réseau,

surveillance de mobiles de maintenance).

Le contrôle de la configuration du système (mise à niveau de logiciel,

introduction de nouveaux équipements et de nouvelles fonctionnalités).

Le système d’administration du réseau GSM est proche du concept TMN

(Télécommunications Management Network) qui a pour objet de rationaliser


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l’organisation des opérations d’exploitation et de maintenance et de définir les

conditions techniques d’une supervision efficace et économique de la qualité de

service.

Architecture du TMN

La complexité actuelle d’un réseau nécessite des outils d’administration

qui représentent son état et sa configuration sous des formes conviviales-

représentation graphique des équipements, histogrammes de charge, etc.

l’ensemble des fonctions nécessaires est le « système d’exploitation » (operation

system). Ce niveau d’administration globale doit être indépendant des

équipements. Il est donc nécessaire d’intégrer des équipements de médiation

entre les équipements du réseau (BTS, BSC, MSC,…) et le système d’exploitation.

Ceux-ci ont pour objet de présenter sous des formes standardisées les différents

éléments du réseau et de dialoguer avec le système d’exploitation par un

protocole standard.

L’ensemble formé par les équipements de médiation, le système

d’exploitation et les réseaux de transport utilisés forme le réseau d’exploitation

des télécommunications, TMN, représenté à la figure suivante.

TMN

Réseau de données

Equipement de médiation

Système d’exploitation

Réseau de données

BTS BSC MSC/VLR HLR AuC


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Présentation de l’OMC et du NMC :

Le NMC permet l’administration générale de l’ensemble du réseau par un

contrôle centralisé, alors que les OMC permettent une supervision locale des

équipements. Plusieurs OMC vont, par exemple, superviser des ensembles de

BSC et de BTS sur différentes zones. D’autres OMC vont superviser les MSC et

VLR. Les incidents mineurs sont transmis aux OMC qui les filtrent. Les incidents

majeurs vont remonter jusqu’au NMC. Le découpage entre OMC et NMC n’est

pas défini pour l’ensemble des fonctions d’administration dans la norme. Le

NMC correspond en général au système d’exploitation du TMN. Les différents

OMC assurent les fonctions de médiation.

Ainsi l’OMC se subdivise en deux : l’OMC-R et l’OMC-S.

L’OMC-R (OMC-Radio) permet la gestion, la supervision et la

maintenance de l’ensemble des BTS et BSC du réseau BSS.

Quant à l’OMC-S, il assure les mêmes tâches pour les organes du sous

système NSS.

D- PROTOCOLES ET PROCEDURES GSM

1- Les interfaces

Les interfaces sont constituées de l’ensemble des supports physiques et

protocoles permettant aux différentes entités du réseau de dialoguer entre eux.

La figure suivante présente les principales interfaces du réseau GSM.

B

MS


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2- Echange de signalisation à travers les interfaces

La figure suivante présente une synthèse de l’échange de signalisation

dans les réseaux GSM.

On peut identifier cinq couches au niveau de l’interface Um, comme

l’indique la figure ci-dessous :

- La couche1 (Physique) assure la transmission radio ; il s’agit des canaux RF.

- La couche2 est le LAPD modifié (LAPDm).

- La couche3, elle regroupe trois sous-couches (RR, MM et CM).

Le RR : Radio ressources Management assure la communication entre le

MS et le BSS (Allocation de TCH et SDCCH) ;

Le MM : Mobility Management assure la gestion de la mobilité

(localisation, authentification,….) ;


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Le CM : Call Management est encore constitué de trois sous-parties :

o CC : Call Control

o SS : Supplementary Services

o SMS : Shurt Message Service

La figure suivante montre les relations entre les différentes couches.

3- Plan de numérotation

Plusieurs types de numérotation sont utilisés dans les réseaux GSM.

Le MSISDN : Mobile Station ISDN Number, est l’identité du mobile dans le

plan de numérotation téléphonique du réseau fixe (RTCP/RNIS) qui est une

recommandation E.164 du CCITT. C’est le numéro qui identifie un abonné

mobile dans le, seul le HLR contient la table de correspondant entre le MSISDN

et IMSI d’un abonné. Le MSISDN ne doit pas dépasser 15 chiffres ; Il comporte 3

champs :

- Le champ CC (Country code) : indicatif du pays où est abonné le mobile

comme 229 pour le Bénin.

- Le champ NDC (National Destination Code) le numéro du PLMN dans

un pays.

- Le champ NS (Sebscriber Number) : le numéro attribué à un abonné.


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- L’IMSI : International Mobile Station Identity est une numérotation dans

le réseau GSM, recommandation E.212 du CCITT.

L’IMSI est composé de trois parties comme indiqué sur la figure ci-desous :

MCC : Mobile Contry Code, il est égal à 616 pour le Bénin ;

MNC : Mobile Netwirk Code, égal à 01 pour le réseau Libercom par exemple ;

MSIN : Mobile Station Identity Number qui désigne chaque abonné du réseau ;

NMSI : National Mobile Station Identity.

- Le TMSI : Temporary Mobile Station Identity est une identité temporaire

attribuée par le réseau au MS, ceci afin de transmettre la véritable identité du

mobile (IMSI) le moins souvent possible pour des raisons de sécurité.

Normalement c'est seulement à l'allumage du mobile que l'IMSI est transmise

afin de se faire attribuer un TMSI.

- Le MSRN : Mobile Station Roaming Number, est une adresse provisoire

attribuée par le VLR au MS lors de l’établissement d’un appel vers la station

mobile. Le MSRN a la même structure que le MSISDN.

SN NDC CC

NMN

MSISDN

MCC MNC MSIN

NMSI : National Mobile Subscriber Identity


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4- Synoptiques d’appels dans les réseaux GSM

a) Identités utilisées dans un appel

b) Appel sortant

Procédure d’appel


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Etablissement de la liaison

c) Appel entrant


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Etablissement de la liaison

d) Appel international

d1-Appel international sortant


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d2) Appel international sortant

e) Recherche d’abonné en roaming

e1) Cas de roaming sans routage optimal


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e2)Roaming avec routage optimal


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CHAPITRE III- QUELQUES CONCEPTS DE BASE DE LA NORME GSM

I- LE CONCEPT CELLULAIRE

1- La notion de cellule

La limitation des ressources radio implique un usage judicieux pour

pouvoir prendre tout le trafic disponible. Le concept de cellule consiste en effet à

diviser le territoire en de petites zones, appelées cellules, et de partager les

fréquences radio entre celles-ci. Ainsi, chaque station de base gère une ou

plusieurs cellules (Trois au maximum) auxquelles on associe un certain nombre

de canaux de fréquences à bande étroite. Afin d'éviter les interférences, ces

fréquences ne peuvent pas être utilisées dans des cellules adjacentes. Ainsi, on

définit des motifs, aussi appelés clusters, constitués de plusieurs cellules, dans

lesquels chaque fréquence est utilisée une seule fois. La figure ci-dessous montre

un motif cellulaire.

Afin de permettre à un utilisateur passant d'une cellule à une autre de

garder sa communication, il est nécessaire que les zones de couverture se

recouvrent de 10 à 15%, ce qui renforce la contrainte de ne pas avoir une même

bande de fréquences dans deux cellules voisines.

2- La réutilisation des ressources radio

Les fréquences allouées à chaque opérateur sont en nombres limité.

L’opérateur peut réutiliser ces canaux de fréquence d’une manière particulière

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGcellule


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1

3 2

1

3 2

1

3 2

1

3 2

1

3 2

1

3 2 R

D

très judicieuse et rigoureuse. Soit D la distance entre le milieu de la première

cellule et sa réutilisation :

N : Nombre de canaux disponible

R : Rayon de la cellule

D est la distance minimum à laquelle on peut réutiliser les ressources radio sans

risque d’interférence entre abonnés de cellules utilisant les mêmes fréquences.

Toujours pour éviter les interférences entre cellules utilisant les mêmes

fréquences, il est également possible d'asservir la puissance d'émission de la

station de base en fonction de la distance qui la sépare de l'utilisateur. Le même

processus du contrôle de la puissance d'émission est également appliqué en sens

inverse. En effet, pour diminuer la consommation d'énergie des mobiles et ainsi

augmenter leur autonomie, leur puissance d'émission est calculée en fonction de

leur distance à la station de base. Grâce à des mesures permanentes entre un

téléphone mobile et une station de base, les puissances d'émission sont régulées

en permanence pour garantir une qualité adéquate pour une puissance

minimale.

Il faut noter que la taille des cellules n'est pas la même sur tout le territoire.

En effet, celle-ci dépend de :

Nombre d'utilisateurs potentiels dans la zone,

La configuration du terrain (relief géographique, présence

d'immeubles, ...),

La nature des constructions (maisons, buildings, immeubles en béton, ...) et

La localisation (rurale, suburbaine ou urbaine) et donc de la densité des

constructions.


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28

3- Zone de couverture des réseaux GSM

La figure suivante présente les différentes types de zones de couverture

d’un opérateur GSM.

II- LE CONCEPT DE MOBILITE

La mobilité des abonnés dans un réseau cellulaire a deux conséquences :

• Pour établir une communication, il faut savoir dans quelle cellule l'abonné

se trouve. C'est la fonction de gestion de localisation.

• Il doit y avoir continuité de la communication lorsque l'abonné passe d'une

cellule à une autre (transfert inter-cellulaire, communément appelé

handover).

A- LA LOCALISATION ET LA SELECTION / RESELECTION DE CELLULE

1- La localisation

La localisation permet au réseau de connaître à tout moment la position du

mobile avec plus ou moins de précision. Pour cela, l’opérateur définit des zones

de localisation (LA : Location Area) qui sont des portions de la zone de service

MSC/VLR. On distingue deux cas de mise à jour de localisation.

Mise-à-jour de localisation périodique (Time-Based) : dans ce cas le mobile

envoie son identité périodiquement au réseau. Elle est simple mais implique une

consommation de ressources indépendante de la mobilité de l’usager.


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29

Mise-à-jour de localisation sur changement de zone (Distance-Based) : Le

principe consiste à ce que :

- Le mobile écoute les informations diffusées par le réseau ;

- Il enregistre le numéro de sa zone de localisation ;

- Si ce numéro est différent du dernier numéro stocké alors il y a mise à jour

de localisation.

Son avantage réside dans le fait que la mise-à-jour est déclenché uniquement

dans les cas où le mobile se déplace.

Généralement, les réseaux combinent les deux types de mise-à-jour de

localisation. Ainsi, les stations mobiles (Portables) se déplacent librement dans

une LA sans devoir remettre à jour leurs informations de localisation mais ils le

font à intervalle régulier définit par l’opérateur et à chaque fois qu’ils changent

de zone de localisation.

2- La sélection/resélection de cellules

La sélection/resélection de cellules permet au mobile même en veille de

pouvoir dialoguer avec le réseau afin d’être apte en tout temps à émettre ou

recevoir d’éventuels appels.

Elle se cale en effet sur une cellule, écoute une voie balise et surveille son

environnement. Elle doit écouter l’ensemble des porteuses du système GSM et

mesurer le champ reçu en réalisant une moyenne sur plusieurs mesures ; Elle

sélection en plus sur liste en mémoire, six des voies balises du réseau sélectionné

(parmi les BCCH des cellules voisines).

Lorsque le signal reçu en veille s’affaiblit et dépasse un certain seuil, le mobile

se cale sur la voie balise la plus forte puis :

o Vérifie le réseau,

o Regarde si la cellule est autorisée (Pas de surcharge),

o L’affaiblissement entre MS et BTS.

Si la cellule est convenable, la MS lit l’identité de la zone de localisation LAC

et s’inscrit si nécessaire. Une fois l’inscription acceptée, elle se cale sur la voie

balise en attente d’un appel éventuel et en surveillance constante pour détecter

une sortie de cellule.

Si la mobilité d'un abonné s'étend à plusieurs pays, des accords de roaming

doivent alors être passés entre les différents opérateurs pour que les

communications d'un abonné étranger soient traitées et aboutissent avec les

ressources d’un autre opérateur.


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B- LES HANDOVERS

Le Handover est un processus qui assure les transferts de communications en

cours tout en maintenant une qualité de communication suffisante entre le

mobile et le réseau à travers un changement de fréquences et de cellules.

Le Handover a pour fonctions :

- De permettre aux usagers de se déplacer en cours d’appel ;

- D’éviter la rupture du lien radio ;

- De minimiser les interférences ;

- D’optimiser l’utilisation des ressources radio ;

- D’équilibrer la charge de trafic entre les cellules ;

- De baisser la consommation en énergie des mobiles.

Selon les équipements BTS, BSC gérant les différentes cellules entre

lesquelles s’effectue le handover, on parle de handover intra BTS, intra BSC ou

inter BSC ; Ce dernier fait intervenir le MSC.

La figure suivante présente une synoptique de l’exécution d’un handover.

C- GESTION DE LA SECURITE DANS LES RESEAUX GSM

Pour éviter les écoutes frauduleuses des communications, le système GSM utilise

les moyens suivants :

- Authentification de l'abonné avant l'accès aux services du réseau ;

- Le cryptage des communications (chiffrement).

- L'utilisation d'une identité temporaire (TMSI = Temporary Mobile Station

Identity).


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1- L’authentification

Pour éviter que des intrus communiquent sur le réseau, la norme GSM a

prévu une procédure permettant d’authentifier les abonnés à chaque tentative

d’accès au réseau. Le HLR/AuC de chaque opérateur et chaque carte SIM du

réseau correspondant contiennent en effet des informations telles que : la clé Ki,

des algorithmes A3, A5 et A8.

Pour authentifier un abonné, le réseau lui envoi un nombre aléatoire

RAND sur lequel il effectue une opération avec la clé Ki et l’algorithme A3 pour

obtenir un résultat SRES qu’il renvoi au réseau. Celui-ci ayant les mêmes clés et

algorithmes effectue aussi de son côté la même opération sur le nombre RAND

envoyé. Il compare alors son résultat à celui reçu du mobile. S’il y a égalité,

l’abonné est authentifié sinon il est rejeté.

La figure ci-dessous résume la procédure :

2- Le chiffrement

Le chiffrement a pour but de protéger la communication des abonnés sur

l’interface radio. En effet, pour éviter que les communications ne soient

interceptées sur l’interface radio, il est nécessaire que les informations échangées

soient cryptées. Le cryptage se fait suivant deux étapes :

-L’établissement de la clé de chiffrement Kc : Elle se calcule en utilisant la clé Ki,

un nombre RAND et l’algorithme A8 tous présents dans la carte SIM et au

niveau du réseau.


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32

-L’activation du chiffrement : L’activation du chiffrement se fait sur la

demande du MSC. Elle est effectuée grâce à l’algorithme A5 implanté dans la

BTS et la clé Kc. Les figures suivantes présentent une synoptique de l’élaboration

de la clé Kc.

Elaboration de la clé d’authentification

CHAPITRE IV- GESTION DES RESSOURCES RADIO DA NS UN RESEAU GSM

A- LES BANDES DE FREQUENCES DE LA NORME GSM

La norme GSM prévoit que la téléphonie mobile GSM occupe trois bandes de

fréquences (Bande des 900MHz, bande des 1800MHz et la bande des 1900MHz) ;

Notons que seule l’Amérique a adopté la téléphonie GSM dans la bande des

1900MHz.

Les bandes des 900MHz et 1800MHz sont utilisées par le GSM de la norme

européenne. Ces deux bandes sont en effet exploitées dans les réseaux GSM

béninois.

Chaque bande est constituée de deux sous-bandes utilisée une pour les

communications montantes (du mobile vers la BTS) et l’autre pour les

communications descendantes (de la BTS vers le mobile).

Le tableau suivant fait une synthèse des caractéristiques de ces deux bandes.

CARACTERISTIQUES GSM 900MHz DCS-1800 MHz

Bande de fréquences (↑) 890, 2 - 915 MHz 1710 - 1785 MHz

Bande de fréquences (↓) 935, 2 - 960 MHz 1805- 1880 MHz

Nombre d'intervalles de temps par trame

TDMA

8

8

http://www2.ulg.ac.be/telecom/publi/publications/mvd/Demoulin2004Principes/#GGGGSM


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Débit total par canal 271 kb/s 271 kb/s

Débit de la parole 13 kb/s 13 kb/s

Débit maximal de données 12 kb/s 12 kb/s

Technique de multiplexage FDMA et TDMA FDMA et TDMA

Rayon de cellules 0, 3 à 30 km 0, 1 à 4 km

Puissance des terminaux 2 à 8 W 0, 25 et 1 W

Sensibilité des terminaux -102 dB

Sensibilité de la station de base -104 dB

B- LES TECHNIQUES D’ACCES MULTIPLE

Deux types de multiplexage sont utilisés dans la norme GSM pour faciliter

l’accès multiple des abonnés au réseau. Il s’agit de multiplexage FDMA

(Frequency Division Multiple Access) et du multiplexage TDMA (Time Division

Multiple Access).

1- Le multiplexage FDMA

Connaissant les différents canaux disponibles, il est possible d'effectuer un

multiplexage fréquentiel pour obtenir des fréquences porteuses à attribuer aux

émetteurs/récepteurs des stations de base. En effet, les bandes de fréquences

(up-link et down-link) sont divisées en des intervalles de 200Khz qui constituent

les canaux de fréquences allouées aux TRX. Ainsi, dans la bande des 900Mhz, on

obtient 124 canaux duplex et dans la bande des 1800Mhz, 374 canaux duplex.

Pour faciliter la désignation de ces fréquences, il existe des formules

permettant de leur faire correspondre des nombres entiers. Ainsi, si on désigne

par Fu les fréquences porteuses montantes et par Fd les fréquences porteuses

descendantes, les valeurs de fréquences porteuses données par :

GSM

Up-link : Fu (n) =890, 2 + 0, 2 x (n-1) MHz

Down-link : Fd (n) = 935, 2 + 0, 2 x (n-1) MHz Avec 1≤ n ≤124

DCS

Up-link : Fu (n) =1710, 2 + 0, 2 x (n-512) MHz

Down-link : Fd (n) = 1805, 2 + 0, 2 x (n-512) MHz Avec 512 ≤ n ≤ 885


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34

Ces nombres entiers n sont appelés ARFCN (Absolut Radio Frequency

Number). On a donc les 124 canaux de la bande des 900MHz qui vont de 1 à 124

et les 374 canaux de la bande des 1800MHz de 512 à 885.

2- Le multiplexage TDMA

Le multiplexage TDMA consiste à diviser chaque canal obtenu avec le FDMA en

trames de 8 intervalles de temps ; Ainsi, avec le TDMA, il est par exemple

possible de faire parler huit utilisateurs l'un après l'autre dans le même canal. On

multiplie donc le nombre de canaux disponibles par unité de temps par huit.

Ces Intervalles de Temps IT (Time Slot TS) obtenus constituent des canaux

physiques sur lesquels on configure différents types de canaux logiques utilisés

dans la norme GSM.

C- LES CANAUX LOGIQUES

L’interface radio étant la partie du réseau la plus vulnérable, il a été prévu

un certain nombre de fonctions de contrôle de nature variée pour que le mobile

se rattache à une BTS favorable, pour établir une communication, pour surveiller

son déroulement et assurer des commutations de cellules en cours de

communication.

Ces fonctions engendrent des transferts de données : informations

système, relevés de mesures, messages de contrôles. Pour transmettre ses

données, plusieurs canaux logiques ont été définis pour les différents types de

fonction. Le tableau suivant fait le point de ses canaux logiques exploités dans la

norme GSM.


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35

TYPE NOM FONCTION

Broadcoast

CHannel :

BCH

(↓)

Frequency Correction CHannel : FCCH ↓ Calage sur fréquence porteuse

Synchronisation CHannel : SCH (↓) Synchronisation (en temps) +

Identification

Broadcoast Control Channel: BCCH (↓) Information système

Common Control

Channel :

CCCH

(↓) (↑)

Paging CHannel : PCH (↓) Appel du mobile

Random Access Channel : RACH (↑)

Accès aléatoire du mobile pour effectuer une opération sur

le réseau

Access Grant Channel : AGCH (↓) Allocation de ressources

Cell Broadcoast Channel : CBCH (↓)

Messages courts (SMS) diffusés (informations routières, météo…)

Dedicated Control

Channel

DCCH

(↓)

Stand-Alone Dedicated Control CHannel : SDCCH (↓)

Signalisation

Slow Associated Control CHannel : SACCH (↓)

Supervision de la ligne

Fast Associated Contol CHannel : FACCH (↓)

Exécution du handover

Trafic CHannel

TCH

(↓)

Trafic CHannel for coded speech : TCH (↓)

Voix plein/demi débit

Trafic CHannel for data (↓) Données utilisateur

1- Fréquence balise BCH (Broadcast channel)

Le réseau GSM s’appui sur le concept de la voie balise qui est choisie

parmi les porteuses attribuées à l’opérateur :

- Elle est propre à la station de base.

- Elle est émise en permanence.

- Le MS mesure périodiquement sur cette voie le niveau de signal qu’il

reçoit

- Le MS mesure son éloignement de la station.

- La voie balise comprend essentiellement des signaux de forme spécifique

et des infos systèmes qui permettent de savoir :

Identité du réseau

Calage en fréquence

Calage en temps

- Scrutation en permanence


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36

- Sur la fréquence descendante, on :

o Emission en permanence d’un signal modulé en puissance

o Ensemble de canaux logiques de diffusion BCH (Broadcast Channel)

2- Les canaux logiques non dédiés

Ce sont des canaux simplex, partagés par un ensemble de mobiles. Sur la

voie descendante (en générale la voie balise) les MS sont à l’écoute du canal.

Sur la voie montante, on retrouve la fonction d’accès multiple. Le slot

supportant la fonction d’accès aléatoire (Random Access) est à priori disponible à

un ensemble de mobiles. Chacun peut émettre et les collisions sont résolues par

les méthodes classiques de résolution de contentieux.

Sur la voie balise Slot 0, on retrouve les canaux logiques FCCH, SCH,

BCCH, AGCH, PCH, CBCH.

a) FCCH (Frequency Correction Channel)

Le canal FCCH consiste en un burst particulier émis environ toutes les 50 ms.

Le message règle le décalage en fréquence du à la modulation GMSK (Gaussian

Minimum-Shift Keying).

b) SCH (Synchronisation Channel)

Il a pour objet de fournir aux mobiles tous les éléments nécessaires à une

synchronisation complète ; il caractérise la voie balise par un marquage spécial

(séquence d’apprentissage) :

Synchronisation fine : aide à la détermination du TA ;

Synchronisation logique : détermination du FN (Frame Number). Il s’agit de

mettre le compteur de trame FN mobile à jour avec celui de la BTS.

Il est possible que l’on arrive à capter le signal sur 2 balises éloignées

(même fréquence). Il faut donc le différencier par le BSIC (3bits d’identification

de la BTS, Base Station Color Code BCC, 3 bits d’identification du réseau,

Network Color Code NCC).

c) BCCH (Broadcast Control Channel)

Ce canal diffuse les données caractéristiques de la cellule ; il assure en effet

la diffusion régulière d’informations système de plusieurs types et contient les

règles d’accès à la cellule. Il Permet au mobile s’il peut se mettre en veille sur la

cellule, après une mise sous tension ou après y être entrée (Niveau minimal de

signal exigé, niveau maximal de puissance autorisé, hystérésis nécessaire pour la

re-sélection de cellules (2 diffusion/seconde) ;


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37

Le numéro de zone de localisation LA permet au mobile de savoir si une

inscription est nécessaire. (2 diffusion/seconde).

Les paramètres RACH donnent les règles d’accès aléatoire. De plus, ils

permettent d’interdire une cellule à tous les mobiles et de la réserver par

exemple uniquement à l’accueil de handover (4 diffusion/seconde).

D’autres informations diffusées chaque seconde, permettent aux mobiles

de se mettre en conformité avec l’organisation de la cellule :

- Description de l’organisation des canaux de contrôle commun indique aux

MS les slots à écouter pour détecter les appels diffusés.

- La description de l’organisation du canal CBCH permet au MS de recevoir

les messages utilisateurs diffusés.

- La description des cellules voisines donne les fréquences des voies balises

des cellules voisines.

- La liste des porteuses allouées à la BS est nécessaire au MS lorsqu’il est en

communication et que le saut de fréquence est activé.

- De plus, un ensemble de paramètres nécessaire à différentes fonctions

liées au déroulement des communications est diffusé : Contrôle de puissance,

valeur de hors temp.

- Chaque BS diffuse également son identité complète (CI, Cell Identity) au

sein de la zone de localisation.

d) RACH (Random Access Channel)

Si le mobile veut effectuer une opération sur le réseau (localisation, envoi

de messages courts, appel d’urgence, appel normal…), il doit le signaler au

réseau. Pour cela, il envoie une requête très courte codée sur un seul burst vers la

BTS. Cette requête est envoyée sur des slots particuliers en accès aléatoire.

L’ensemble de ces slots constitue le RACH. Le burst utilisé est plus court que le

normal pour tenir compte du délai de propagation.

e) AGCH (Access Grant Channel)

Lorsque l’infrastructure reçoit une requête de la part d’un mobile, il lui

faut allouer un canal de signalisation dédié pour identifier le mobile. Le message

d’allocation contient la description complète du canal de signalisation utilisé : N°

de porteuse et N° de slot.

f) PCH (Paging Channel)

Lorsque l’infrastructure désire communiquer avec un mobile (pour un

appel, un message court, une authentification), elle diffuse l’identité du mobile,


Jean G. AFOKPE


38

sur un ensemble de cellules. Le mobile répond par un RACH sur la cellule où elle

est.

g) CBCH (Cell Broadcast Channel)

Il permet de diffuser aux usagers présents dans la cellule, des informations

spécifiques (info routière, météo…). Utilisation marginale.

3- Les canaux logiques dédiés

Ces canaux fournissent une ressource réservée à un mobile. Sur une paire

de fréquences, un slot parmi 8 est alloué à une communication avec un mobile

donné. Cette paire de slots forme un canal physique duplex.

Le mobile se voit attribuer dans une structure multi-trame une paire de

slots (uplink ↑ & downlink ↓) dans lequel il est le seul à transmettre et à recevoir.

Dans la même cellule, aucun autre mobile ne peut transmettre, ni recevoir

dans le même slot et à la même fréquence.

Ce dernier forme la base de deux canaux logiques ; d’abord le TCH (Trafic

CHannel) qui porte la voie numérisée, mais aussi un petit canal de contrôle, le

SACCH (Slow Associated Control Channel) qui permet principalement le

contrôle des paramètres physiques de la liaison.

Sur un canal physique on peut placer soit :

- TCH avec son SACCH associé (multitrame 26

- SDCCH avec SACCH associé. (multitrame 51)

a) TCH (Trafic Channel)

La parole est transportée par le TCH :

o TCH/FR (Full Rate: TCH plein débit

o TCH/HR (Half Rate): TCH moitié ébit

o TCH support de données

b) SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel)

Ce canal supporte la signalisation des communications et a un débit plus

faible que les TCH (800 bit/s). On a un environ un SDCCH pour 8 TCH.

c) SACCH (Slow Associated Control Channel)

Une liaison radio est fluctuante, il n’est donc pas possible de dédier un

canal à un MS sans le contrôler en permanence. Il faut constamment ajuster les

paramètres pour conserver une qualité de service acceptable. Enfin le réseau doit

vérifier que le mobile est toujours actif sur le canal. On y retrouve :

o Le Timing Advance TA ;

o Le Contrôle de puissance d’émission du mobile ;


Jean G. AFOKPE


39

o Le Contrôle de la qualité du lien radio ;

o Le rapport des mesures effectuées sur les stations voisines.

d) FACCH (Fast Associated Control Channel)

Le SACCH est trop lent en cas d’urgence sur un TCH (par exemple le

handover), donc on suspend l’émission de la TCH et on envoie le FACCH à la

place. Ceci permet de vite envoyer toute la signalisation nécessaire à l’exécution

des hanover sans que l’usager ne se rende compte de l’interruption de sa

communication.

4- Scrutation

Pendant une communication, le mobile ne se contente pas de recevoir et

d’émettre une trame TDMA à la suivante. Il met à profit la durée disponible

entre l’émission et la réception d’un burst, pour scruter la fréquence balise des

cellules avoisinantes. Il ne peut faire, pendant cette phase appelée Monitoring

que des mesures de puissance qui ne nécessitent pas de démodulation complète.

5- Groupes de trames

Les trames TDMA sont groupées en trames dites multi-trame :

o Multitrame26 : 26 trames TDMA d’une durée de 120ms. Cette multi-

trame supporte les TCH avec leur SACCH et FACCH.

o Multitrame51 : 51 trames TDMA d’une durée de 235.4ms. Cette multi-

trame supporte les canaux SDCCH et les canaux communs.

Les supertrames contiennent 26 x 51 = 1326 trames TDMA et dure 6.12s (26

trames de 51 ou 51 trames de 26).

Une hypertrame contient 2048 supertrames (soit 2715 648 TDMA). Elle dure

3h 28min 53s 760ms.

Chaque trame TDMA à l’intérieur d’une hypertrame est identifié bijectivement

par un numéro appelé FN (Frame Number, de 0 à 2 715 647).


Jean G. AFOKPE


40

Structure des trames de la norme GSM

6- Les bursts

Les bursts sont les informations contenues dans les IT des porteuses du GSM. Il

en existe quatre : Le burst de fréquence, le burt d’accès, le burts de

synchronisation et le burst normal.

Un IT GSM comporte 156,25 bit répartit en plusieurs tranches suivant le type de

burst.

a) Le burst de correction de fréquence FCCH

Ce burst contient 148 bits à zéro en plus de la période de garde de 8,25 bits.

Structure du burst FCCH


Jean G. AFOKPE


41

b) Le burst de synchronisation SCH

Le burst SCH est utilisé pour la synchronisation du mobile sur le réseau.

Structure du burst SCH

c) Le burst d’accès

Le burst d’accès supporte les canaux RACH et FACCH. Il est utilisé pour les

accès aléatoires et l’exécution des hand over.

Structure du burst d’accès

d) Le burst normal

Le burst normal est utilisé pour transmettre les informations des canaux de trafic

et de contrôle (BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, CBCH, SACH, FACCH, TCH). Il

comporte plusieurs parties comme l’indique la figure ci-dessous.

Structure du burst normal

Un cinquième burst est envoyé en l’absence d’information des autres

bursts à transmettre. Il s’agit d’un burst de bourrage en quelque sorte.


Jean G. AFOKPE


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CHAPITREV- LES CONTRAINTES LIEES A L’INTERFACE RADIO

I- LES CONTRAITES LIEES A L’INTERFACE RADIO :

Les ressources radio du GSM sont constituées de liaisons radio (canal de

transmission entre émetteurs et récepteurs). Le support de transmission est ainsi

assuré par des ondes électromagnétiques.

Comme tous les canaux de transmission, ces ressources radio sont

soumises aux problèmes posés par le bruit et les perturbations. Ces perturbations

sont notamment dues aux propagations multiples et complexes des ondes

électromagnétiques dans un canal réel et non stationnaire. Afin de bien

dimensionner le réseau GSM et optimiser la gestion des ressources radio, il est

nécessaire de comprendre les phénomènes physiques de propagation des ondes

électromagnétiques et être capables de prévoir leurs effets.

A- Les modes de propagation les plus courants

Quatre modes de base existent pour la propagation. Le signal reçu par le

mobile ou la station de base BTS est une combinaison de ces quatre modes, il a

généralement effectué de nombreux trajets avant d’arriver au récepteur tel que le

présente la figure suivante :

Transmission directe

Diffusion

Réflexion

Diffraction


Jean G. AFOKPE


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1- La Réflexion :

Elles se produisent lorsqu’une onde radio se propage dans un milieu

diélectrique, et rencontre une interface avec un autre milieu. La réflexion peut

être totale ou partielle, suivant les propriétés du nouveau milieu :

•Diélectrique : une partie de l’énergie est transmise et l’autre partie diffractée,

sans perte d’énergie.

•Conducteur parfait : toute l’énergie est réfléchie, sans pertes d’énergie.

Le coefficient de réflexion dépend des propriétés des matériaux, de la

fréquence, de l’angle d’incidence, de la polarisation.

2- Diffraction :

Elle consiste en la création d’interférences entre l’onde directe d’une source

et l’onde dont la direction a été modifiée. Elle entraîne une modification du trajet

suivi par une onde.

La diffraction existe pour toutes les longueurs d’onde, mais n’apparaît que

dans le cas où les dimensions de l’obstacle seraient inférieures à la longueur

d’onde.

3- Diffusion :

Le phénomène de diffusion peut apparaître dans le cas où un volume

comprenant un nombre important d’obstacles, dont la taille est inférieure à la

longueur du signal.

L’onde électromagnétique est déviée dans de multiples directions de

manière statistique, ainsi que la polarisation. Elle apparaît à l’interface entre deux

milieux ou quand une onde rencontre une surface pas parfaitement plane et lisse

ou à travers des feuillages.

4- Réfraction :

La vitesse de propagation d’une onde électromagnétique dépend du

milieu de propagation, c’est à dire son indice de réfraction. Le passage de l’onde

d’un milieu à un autre conduit à une modification du trajet suivi par les ondes.

La combinaison de ces multiples modes de propagation des ondes

engendre des perturbations sur les signaux échangés sur l’interface radio.


Jean G. AFOKPE


44

B- Les Perturbations de l’interface radio

Les perturbations de l’interface radio sont entre autres : l’absorption

atmosphérique, la perte de propagation ou pathloss, le fading de masquage ou

shadow fading, le fading lent, le Fading rapide ou de rayleigh, la dispersion

temporelle ou delay spread, les bruits et les interférences.

1- L’Absorption atmosphérique :

Elle consiste en ce que l’onde électromagnétique voit son énergie absorbée et

transformée sous une autre forme. Seule l’amplitude du signal est modifiée. Elle

est due aux différents gaz présents dans l’atmosphère et à l’influence des

particules liquides et solides (pluie, grêle, neige) ; Elle varie avec la fréquence et

s’accentue au fur et à mesure que la fréquence monte. Ainsi, contrairement aux

BTS 900Mhz ayant des portées de plusieurs kilomètres, les BTS 1800Mhz ne

portent que sur environ 4Km au maximum.

2- Perte de propagation ou pathloss

En se propageant, l’onde électromagnétique subie une atténuation

inversement proportionnelle au carré de la distance parcourue (propagation

libre).

3- Fading de masquage ou shadow fading

Sur son parcours, le signal rencontre des obstacles de nature diverse qui

contribuent à augmenter l’atténuation. Les multiples obstacles rencontrés sur le

parcours augmentent en effet l’affaiblissement du signal.

4- Fading lent

Le signal subit des réflexions et des diffractions sur des objets de grande

taille (immeuble, colline). L’ordre de grandeur des zones d’évanouissement est

celui des obstacles : plusieurs dizaines de mètres, pendant plusieurs secondes.

5- Fading rapide ou de Rayleigh

Tout signal subit en général le phénomène de multi-trajet. Le signal reçu

résulte de la somme de tous les signaux réfléchis, diffractées et directs.

Chacun de ces signaux va posséder des caractéristiques (angle d’arrivée,

amplitude, phase, fréquence, polarisation) différentes. L’ensemble de ces

contributions (principalement la différence de phase) donne lieu à des

évanouissements importants (de 2 à 30 dB).


Jean G. AFOKPE


45

L’ordre de grandeur des zones d’évanouissement est la longueur d’onde du

signal.

6- Dispersion temporelle ou delay spread

Le phénomène de multi-trajet entraîne aussi une dispersion temporelle des

signaux issus des différents trajets.

Les signaux issus de la transmission d’un symbole pourront se superposer aux

signaux issus de la transmission du symbole précédent ou suivant. Cela conduit

à l’apparition d’interférences inter symboles, qui obligent à réduire le débit de

données. La figure suivante présente ce phénomène.

7- Les bruits

Outre les perturbations dues à l’environnement de propagation, le signal

reçu peut aussi être brouillé par des signaux parasites ou bruit, d’origine interne

ou externe.

Réflexion

temps

fade

Signal reçu Transmission

Diffusion / Diffraction

time

time T = 0 Symbole envoyé par

l’émetteur

Les différents trajets arrivant au récepteur

Symbole reçu

+


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Le bruit = signal parasite aléatoire, le plus souvent d’origine thermique. Le

bruit limite surtout la sensibilité du récepteur en fixant une limite de rapport

signal sur bruit S/N (signal/Noise).

On parle aussi du rapport de la porteuse sur bruit C/N (Carrier/Noise).

La présence de bruit introduit la notion de signal sur bruit afin de

déterminer des seuils acceptables.

8- Les interférences :

Le bruit a un impact négligeable en comparaison des perturbations créées

par les interférences en termes de capacité et qualité de service (QoS). Les

interférences sont des brouillages ayant pour origine les émissions de signaux

dans la même bande ou proche de celle du système.

Les interférences sont particulièrement importantes dans les réseaux

cellulaires GSM, basés sur le principe de réutilisation des fréquences. Dans les

réseaux cellulaires, on note C/I le rapport du signal utile (Carrier) sur le niveau

d’interférence (I).

Deux types d’interférences existent : les interférences co-canal et les

interférences sur canal adjacent.

Illustration des Interférences

Le rapport C/I limite la taille N du motif de réutilisation d’un réseau

cellulaire. Le motif étant le plus petit groupe de cellules ne contenant qu’une

seule fois les fréquences réutilisées dans le réseau.

C I1

I2 I3

f1

f1

f1 f1

321 III

C

I

C

I

C

I

C

min


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II- GESTION DES CONTRAINTES DE L’INTERFACE RADIO :

On cherche à optimiser le réseau principalement dans les domaines suivants :

Augmentation de l'efficacité spectrale.

Réduction de la taille des cellules.

A- Augmentation de l'efficacité spectrale :

Le système GSM œuvre dans une bande de fréquences limitée. La

réutilisation des fréquences est donc nécessaire pour couvrir l'ensemble d'un

territoire. Cette réutilisation des porteuses induit un brouillage entre

émissions.

Pour améliorer l'efficacité spectrale, les opérateurs disposent de plusieurs

techniques :

1- Le contrôle de puissance

Comme abordé plus haut, la puissance d'émission du signal radio du

terminal MS et de la BTS est ajustée en permanence pour limiter les

perturbations entre terminaux en communication. Ce mécanisme de réglage

de puissance (Power Control) réduit au minimum le brouillage entre les

cellules utilisant un même canal radio.

2- Le E-GSM

Actuellement, le système GSM travaille dans les bandes de fréquences :

- 890-915 MHz pour la voie montante.

- 935-960 MHz pour la voie descendante.

On dispose alors de 124 couples de fréquences (Fd, Fu).

L'EGSM, dans le but d’accroître les ressources a élargi les bandes comme suit :

- 880-915 MHz pour la voie montante.

- 925-960 MHz pour la voie descendante.

On bénéficie ainsi de 50 couples de fréquences (Fd, Fu) nouveaux, soit 174

couples de porteuses au total ; Ce qui permet d’avoir un peu plus de ressources

radio à déployer afin d'augmenter la capacité du réseau et de résoudre des

problèmes d'interférences pour certaines cellules. Notons que l’EGSM n’est pas

encore exploité au Bénin.


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3- Gestion de la qualité de service

a) Transmission Discontinue DTX

Lors des communications, les deux intervenants ne parlent pas en même

temps. En outre, les caractéristiques de la parole font apparaître des silences

entre chaque mot. On estime que le taux d'inutilisation du canal de transmission

est de 60%.

Lors des silences, l'émission n'est pas interrompue, mais réduite afin

d'émettre le bruit de fond pour que le correspondant ne détecte pas les ruptures.

La transmission discontinue (DTX) consiste à réduire le débit d'émission à

260bits/480ms au lieu de 260 bits/20ms.

Le mécanisme DTX nécessite donc les fonctions suivantes :

- Détection d'activité vocale du côté émetteur.

- Evaluation du bruit de fond du côté émetteur pour transmettre les

paramètres caractéristiques au récepteur.

- Génération du côté récepteur du bruit de fond pendant les silences.

Le DTX permet de réduire la consommation des émetteurs, notamment

des MS. En outre, il permet également de réduire le niveau moyen d'interférence

généré.

4- Le Timing Advance (Décalage temporel des envois)

Pour permettre le basculement d'un mobile du mode réception en mode

émission, la norme GSM prévoit un décalage de trois (03) slots. Plus précisément,

le mobile émet des informations trois slots après réception des signaux envoyés

par la station de base. Malgré tout, les informations envoyées par les différents

mobiles autour d'une même fréquence porteuse entrent en collision. Pour éviter

des collisions, certains mobiles (les plus distants) doivent avancer le moment de

leur envoi. La durée de l'avance temporelle de l'envoi est appelée Timing

Advance (TA). Elle est fournie dynamiquement par la station de base et est codé

sur 64 valeurs différentes. 1TA= 533 mètres.

5- Saut De Fréquence :

On distingue en GSM le saut de fréquence simple consistant à changer de

fréquence en cas de dégradation du canal utilisé et le saut de fréquence

synthétisé. Le saut de fréquences synthétisé consiste à changer de fréquence

plusieurs fois lors de l'émission d'un message (par exemple, saut de fréquence au

rythme bit) ; Habituellement, le saut de fréquence n'est pas activé pendant la

période de déploiement d'un réseau, la charge étant faible. A charge importante,


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il devrait apporter un accroissement notable des performances. Avec le nombre

d’opérateurs élevé au Bénin, les canaux de fréquence surtout dans la bande des

900MHz sont très restreints ; La plupart des opérateurs utilisent donc le saut de

fréquences pour pouvoir supporter le trafic disponible sur leur réseau avec une

QoS acceptable.

Principe : Un canal physique ne siège pas sur une seule porteuse, mais utilise un

ensemble de N fréquences qui se succèdent suivant un ordre défini par la

séquence de saut.

Remarque : Il est nécessaire de disposer au minimum d'un canal physique

simplex sans saut de fréquence dans le sens descendant par cellule. Ce canal

forme une voie balise pour permettre aux mobiles extérieurs à la cellule de venir

écouter le BCCH (pour permettre au MS de se rattacher à la BTS la plus

favorable).

La séquence de saut est une suite définie sur l'ensemble des N fréquences

attribuées à la BTS. Ces N fréquences sont numérotés de 0 à N-1.

Un algorithme utilise le N° de trame FN (Frame Number) et un paramètre HSN

(Hopping Sequence Number, compris entre 0 et N-1) pour générer une suite

pseudo-aléatoire de nombres Ai (compris entre 0 et N-1).

Lors de l'allocation d'un canal, la BTS précise au mobile un index MAIO

(Mobile Allocation Index Offset, compris entre 0 et N-1

Avantages :

- Le SFH apporte une protection contre les évanouissements sélectifs et

créé une diversité de brouilleurs.

- Protection contre les évanouissements : Dans une agglomération urbaine,

les nombreuses façades induisent des ondes réfléchies définissant un réseau

d'ondes stationnaires dans lequel un véhicule à l'arrêt peut ne plus recevoir un

signal porté par une fréquence particulière: c'est l'effet du fading de Raleigh.

En général, les évanouissements sont sélectifs; ainsi, l'utilisation de

plusieurs fréquences différentes pour une communication diminue la probabilité

de pertes de message par évanouissements. De cette façon, et grâce aux

techniques de codage et d'entrelacement spécifiés par la norme GSM, un message

perdu sur une fréquence donnée, peut être reconstitué au niveau du récepteur

grâce aux informations transportées par les messages transmis sur les autres

fréquences.


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- Diversification des brouilleurs : Dans les zones urbaines, les systèmes

sont principalement limités par les interférences. L'implantation du saut de

fréquence permet de moyenner le niveau d'interférence global sur toutes les

porteuses plutôt que d'avoir un niveau de brouillage élevé sur certaines

porteuses uniquement.

Le saut de fréquence permet donc de considérer le cas moyen et non le pire

cas. Le gain apporté par cette technique est d'autant plus important que le

nombre de fréquences est grand. Pour obtenir un gain appréciable, il est

recommandé de disposer d'au moins 4 fréquences.

6- Half Rate

La norme GSM prévoit la possibilité de n'allouer à l'utilisateur qu'un slot toutes

les deux (02) trames TDMA. Une allocation de ce type constitue un canal demi-

débit par opposition au canal plein débit utilisé actuellement (à chaque trame

TDMA, on alloue un slot par communication).

L'implantation du half rate nécessite des codeurs de parole plus performants à

débit réduit. En effet, le codage de la parole est réduit à 5.6kBits/s contre

13Kbits/s en full rate.

L'utilisation du half rate permet à l'opérateur de doubler la capacité de son

réseau.

7- La diversité d’antenne et diversité de polarisation

Cette technique consiste à prévoir une double réception au niveau des

antennes de la BTS. Les mobiles actuels fonctionnant au maximum à 2Watt, la

probabilité de la perturbation des signaux qu’ils envoient est forte.

La diversité d’antenne permet donc de recevoir le même signal au niveau

de deux antennes afin de pouvoir les comparer et choisir le meilleur.

Malgré les nombreuses perturbations potentielles de l’interface radio,

plusieurs techniques existent et permettent de gérer ces contraintes de l’interface

radio de la norme GSM. Toute fois, seule une bonne combinaison de ces

techniques peut permettre de rationaliser la gestion des ressources radio.

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